4. 三维几何模型准备与网格划分

在注塑成形流动与翘曲仿真中，几何模型与网格是全部物理求解的载体。流动分析求解的是压力场、温度场与速度场，翘曲分析还要叠加纤维取向、残余应力与各向异性收缩，这些量都依附在离散网格单元上。几何准备与网格划分的质量，直接决定了求解能否收敛、结果是否可信。本节围绕 CAD 模型修复、网格类型选择、网格尺寸与质量指标、边界层网格以及网格敏感性分析五个环节展开。

一、CAD 模型修复：把“看得见”变成“算得动”

从设计部门拿到的 CAD 模型通常面向制造与装配，而不是面向 CFD/流动求解。常见问题包括：曲面之间存在微小缝隙或重叠面、面法向不一致、存在自由边与非流形边、圆角与倒角过多导致局部曲率突变、实体被抽壳后壁厚不均、以及存在零面积面或退化边。这些缺陷在网格划分阶段会直接表现为网格孔洞、单元翻转或厚度计算失败。

修复的基本流程是：先做几何诊断，统计自由边、非流形边、重复面、小面片与最小特征尺寸；再做缝合与缝合容差调整，把间隙小于容差的面合并；随后统一面法向，删除内部冗余面；对影响网格质量的小圆角、小凸台、文字标识等特征做简化或抑制；最后检查壁厚分布，确认最薄处与最厚处是否在工艺合理范围内。修复容差一般取模型整体尺寸的 0.1%～0.5%，例如 200 mm 长的零件可取 0.2～1.0 mm，容差过大会吃掉真实薄壁特征，过小则无法缝合。

二、中性面、双域与三维网格的选择

注塑仿真常用的网格类型有三类，选择依据是壁厚与零件尺寸之比、几何复杂度以及是否需要厚度方向的分层信息。

中性面网格把三维薄壁件抽象为位于壁厚中面的二维面网格，厚度作为单元属性附加。它计算量最小、求解最快，适合壁厚均匀、长流程比的薄壳件，如手机外壳、仪表板骨架。缺点是厚度突变、厚薄过渡与圆角区域需要人工指定厚度，且无法直接给出厚度方向的温度梯度。

双域网格（也称表面网格）在零件上下表面各生成一层二维网格，用上下对应单元之间的厚度描述流动。它保留了表面几何，适合中等厚度、表面形状复杂的零件，精度介于中性面与三维之间，但对上下表面的对应关系与厚度插值较敏感。

三维网格在实体内部生成四面体或六面体单元，能直接求解厚度方向的速度与温度分布，适合厚壁件、厚薄差异大、有嵌件或需要精确翘曲预测的零件。代价是单元数量大、计算时间长，对网格质量与边界层要求更高。

三、网格尺寸与质量指标

网格尺寸不是越细越好，而是要在流动前沿、浇口附近、薄壁与厚壁过渡区加密，在远离浇口的大平面区域适当放粗。常用做法是：以最小壁厚为基准，保证厚度方向至少有 2～3 层单元；平面内单元尺寸取壁厚的 1～3 倍；浇口附近取 0.3～0.5 倍壁厚。例如壁厚 2 mm 的零件，平面单元可取 2～4 mm，浇口区取 0.6～1.0 mm。

质量指标主要看四项：长宽比（三角形单元建议小于 6，四面体小于 10）、内角（三角形宜在 20°～120°）、雅可比（越接近 1 越好，低于 0.3 需处理）、翘曲度（面网格偏离平面的程度，过大将影响厚度计算）。此外还要检查自由边、重叠单元与孤立节点。质量差的单元会导致压力场振荡、温度场出现负值或求解直接发散。

四、边界层网格

熔体在模壁附近存在速度边界层与热边界层，厚度方向的速度梯度与温度梯度远大于平面方向。若厚度方向只有一层单元，壁面剪切速率与凝固层厚度都会被严重高估或低估。三维网格中应在模壁附近生成边界层：第一层厚度按目标 y+ 或按壁面剪切速率估算，通常取 0.02～0.1 mm；增长率取 1.2～1.5；层数取 3～5 层，使边界层总厚度覆盖热边界层。边界层与内部四面体之间要平滑过渡，避免尺寸突变造成单元畸变。

五、网格敏感性分析

网格敏感性分析的目的是确认结果不再随网格加密而显著变化。做法是保持几何与工艺条件不变，依次生成粗、中、细三套网格，比较关键输出量：填充时间、最大注射压力、熔接痕位置、体积收缩率与翘曲量。若中网格与细网格之间的差异小于工程允许误差（例如压力差小于 3%、翘曲差小于 5%），则可认为中网格已收敛，后续分析采用中网格以节省时间。

表中数据为教学示例，用于说明判断逻辑：粗网格明显高估压力与翘曲，中网格已接近细网格，因此可选中网格作为后续优化的工作网格。若关注的是熔接痕位置或纤维取向，还需单独对这些量做敏感性检查，因为它们对网格的敏感程度可能与压力、翘曲不同。

综合来看，几何修复保证模型可离散，网格类型决定物理模型的抽象层次，尺寸与质量指标控制离散误差，边界层保证近壁梯度可分辨，敏感性分析则给出“网格足够细”的量化依据。五者依次衔接，构成注塑仿真可信结果的第一道基础。