📚 课程目录第4章几何体与CAD导入

4. 几何体与CAD导入

在Simpack中，刚体（Body）是构建多体系统最基本的元素。一个刚体在动力学上由三部分信息决定：几何外形（用于可视化与接触检测）、质量属性（质量、质心位置、惯性张量）、以及与其他部件之间的连接关系（铰接、力元等）。本节聚焦前三者中的几何与质量属性，并说明如何通过CAD数据接口把外部三维模型引入Simpack，以及为什么在多数工程仿真中必须对CAD外形做简化。

一、刚体的两种定义路径

Simpack中定义刚体有两条典型路径。第一条是“参数化定义”：直接在建模树中新建Body，输入质量、质心坐标、惯性张量，几何外形可以只用一个简单形状（如长方体、圆柱、球）或干脆不显示。这种方式适合质量属性已知、外形对结果无影响的场合，例如用等效质量块代替电机、配重。第二条是“CAD导入定义”：从外部CAD文件导入三维几何，再由Simpack根据几何与密度自动计算质量属性，或手动覆盖。这种方式适合外形复杂、需要精确可视化或需要做接触/碰撞检测的部件，例如车身覆盖件、悬架控制臂、齿轮箱壳体。

选择哪条路径的判断依据不是“哪个更精确”，而是“外形是否参与物理计算”。如果部件之间不发生接触、不涉及流体迎风面积、不需要精确转动惯量，那么参数化定义往往更快、更稳定。反之，若要做齿轮啮合、轮胎与地面接触、机械限位碰撞，则几何外形必须真实到足以支撑接触算法。

二、外形简化：从CAD到仿真模型

直接导入的CAD模型通常包含大量对动力学无意义的细节：倒角、圆角、螺纹孔、装饰面、内部空腔。这些细节会显著增加面片数量，拖慢接触检测和可视化刷新，甚至因微小面片导致接触穿透判断异常。因此外形简化是CAD导入后的必要步骤，常见策略包括：

去除小特征：删除半径小于某个阈值（例如2 mm）的倒角、圆角、小孔。
填充内部结构：把壳体内部空腔填实，只保留外包络面，因为动力学不关心内部走线。
用规则体替代：把复杂支架简化为一个长方体加两个圆柱，只要质量属性和关键安装点位置一致。
降面片密度：对曲面做网格粗化，控制三角形数量在几千到几万量级，而不是几十万。

简化的底线是：不能改变质量属性，不能改变关键连接点的位置和方向。如果简化后质心偏移了几毫米，对于高速旋转部件可能带来明显的惯性力差异。因此简化后应重新计算质量属性并与原始CAD对比，偏差一般控制在1%～3%以内可接受，具体阈值取决于仿真目的。

三、质量属性计算

Simpack计算质量属性的基本公式是：给定几何体和材料密度ρ，通过体积积分得到质量m、质心位置r_c和惯性张量I。对于均质体：

m = ρ · V
r_c = (1/V) ∫ r dV
I = ∫ ρ (|r|² E - r rᵀ) dV

实际操作中，Simpack会基于导入的几何面片做数值积分。这里有两个容易出错的点。第一，密度单位：Simpack常用单位制是mm-t-s或m-kg-s，若CAD以mm建模而密度按kg/m³输入，质量会差10⁹倍。第二，坐标系一致性：CAD导入时若没有对齐Simpack的全局坐标系，质心和惯性张量的主轴方向会错位。建议在导入前把CAD模型的原点移到部件的旋转中心或安装基准点，并让坐标轴与Simpack约定一致。

当自动计算结果不可信时（例如几何有破面、非封闭），可以手动输入质量属性。手动输入时至少需要：质量、质心三个坐标分量、惯性张量六个独立分量（Ixx, Iyy, Izz, Ixy, Ixz, Iyz）。惯性张量必须相对于质心且在同一坐标系下给出，否则Simpack会做平行轴定理转换，容易引入符号错误。

四、CAD数据接口与导入流程

Simpack支持STEP、IGES、STL、JT等格式。STEP和IGES保留精确曲面，适合需要高质量可视化和接触面的场合；STL是三角面片，导入快但精度受网格密度限制；JT在汽车行业常用，兼顾压缩与精度。导入时的关键设置包括：单位缩放、坐标系对齐、是否合并同材质部件、是否自动计算质量属性。

一个稳妥的导入流程是：先在CAD中把部件单独导出、统一单位、把原点放到设计基准点；在Simpack中新建Body并选择CAD导入；检查几何显示是否完整、有无破面；设置密度或直接输入质量；对比自动计算与理论估算的质量属性；最后把几何外形与质量属性解耦——即几何可以简化，但质量属性以实测或详细计算值为准。

五、实操示例：悬架控制臂的导入与质量校核

假设有一个铝合金悬架控制臂，CAD模型为STEP格式，材料密度2.7×10⁻⁹ t/mm³（即2700 kg/m³）。导入Simpack后，几何显示正常，自动计算得到质量3.82 kg，质心坐标（-12.4, 5.6, 88.3）mm，Ixx=0.021 kg·m²。用理论估算：控制臂近似为两个圆柱加一个连接板，估算质量约3.75 kg，偏差约1.8%，在3%以内，可以接受。此时检查惯性张量是否对称、主惯性矩是否为正，若出现负值说明几何有破面或密度设置错误。

如果发现自动计算质量明显偏大，常见原因是CAD模型中包含了不属于该部件的实体（如螺栓、垫片），或者内部空腔未被正确识别为空心。此时应回到CAD中清理，或在Simpack中删除多余面片后重新计算。若无法清理，则改为手动输入质量属性，几何仅用于可视化。

提示：对于需要做接触的部件，几何简化不能过度。接触算法依赖面片法向和曲率，若把圆柱面简化为多边形棱柱，接触力会出现周期性波动。此时应保留足够的面片密度，或改用解析接触（如Simpack的圆柱-平面接触对）。

注意：质量属性一旦手动输入，后续修改几何外形不会自动更新质量。若几何和质量都需要调整，应重新走一遍“导入—简化—计算—校核”流程，避免几何与质量属性脱节。

总结来说，Simpack中刚体定义的核心不是“把CAD拖进来”，而是建立几何、质量、连接三者之间的一致关系。几何可以简化，质量必须可信，连接点必须准确。CAD接口只是入口，真正的工程判断发生在简化策略和质量校核环节。