3. 几何清理与简化加速策略
在大型装配体或复杂零件进入网格划分之前，几何模型的质量与复杂度直接决定了求解规模。一个包含数千个倒角、小孔、圆角与碎面的模型，即使网格尺寸设置合理，也可能生成数百万甚至上千万单元，导致求解时间从分钟级跃升至小时级。几何清理与简化并非“偷工减料”，而是在保证关键力学响应不失真的前提下，主动削减对结果影响极小的几何细节，从而把计算资源集中在真正需要高精度描述的区域。
一、几何清理的优先级判断
面对一个导入的CAD模型，第一步不是立刻动手删除特征，而是先判断哪些几何细节可以安全简化。判断依据通常来自三个方面：特征尺寸与整体结构尺寸的比值、特征所在位置的应力梯度、以及分析类型。例如，一个直径2mm的螺栓孔位于远离约束和载荷路径的安装凸台上，在整体刚度分析中几乎不参与传力，可以填充；而同一尺寸的孔若位于高应力集中区或作为定位基准，则必须保留甚至局部加密。
工程上常用一个经验阈值：当特征尺寸小于全局网格尺寸的1/3时，该特征通常无法被网格有效捕捉，保留它只会产生畸形单元并拖慢求解。此时应优先考虑去除或简化。对于应力分析，倒角和圆角在远离关注区时可简化为直角；对于模态分析，小孔和凹槽对低阶频率影响甚微，可批量填充。
二、去除微小特征与合并面/边
Ansys Mechanical中可通过SpaceClaim或Discovery进行几何清理，也可在Mechanical内使用“Geometry”节点的右键菜单调用简化工具。去除微小特征主要包括删除小倒角、小圆角、小凸台、刻字和标识面。操作时使用“Find Small Faces”或“Repair”工具，按面积或边长筛选，批量抑制或删除。
合并面与边的核心目的是消除CAD导入时产生的碎面。碎面往往由不同建模软件之间的数据转换造成，表现为一个本应连续的面被分割成多个窄条面。这些窄条面在网格划分时会产生大量劣质单元。使用“Merge Faces”或“Stitch”工具，将相邻且法向一致的面合并为单一曲面，可显著减少面数量。合并边则用于消除微小缝隙或重合边，避免网格不连续。
实际操作中，可先执行“Share Topology”设置为“Share”模式，让Mechanical自动识别并合并重合面与边。对于仍存在的碎面，再手动选取合并。合并后应检查几何是否出现自由边或非流形边，这些是网格划分失败的常见原因。
三、填充孔洞与简化细节
填充孔洞适用于螺栓孔、油孔、减重孔等对整体响应影响较小的贯穿或非贯穿孔。在SpaceClaim中使用“Fill”工具，选择孔的内表面即可自动填充为实体。对于阵列孔，可使用“Pattern”识别后批量填充。填充后原孔位置变为连续实体，网格可跨越该区域生成规则单元。
需要注意的是，填充孔洞会改变局部刚度。如果孔附近有接触对或螺栓预紧力，填充后需重新评估连接关系。对于必须保留的孔，可将其简化为无孔但赋予等效材料属性，或使用梁单元模拟螺栓连接，而非保留真实孔壁。
四、梁/壳/实体混合建模降低计算规模
混合建模是大型模型加速中最有效的手段之一。其核心思想是：对薄壁结构使用壳单元，对细长杆件使用梁单元，仅对厚实、复杂或高应力区域使用实体单元。这样可在保持力学行为一致的前提下，将单元数量降低一个数量级。
典型应用场景包括：车身框架中，薄壁冲压件抽中面后划壳单元，加强筋用梁单元，接头区域保留实体；管道系统中，直管段用梁单元，弯头和三通用壳或实体；机翼结构中，蒙皮和翼肋用壳，长桁用梁，连接接头用实体。
在Mechanical中实现混合建模的步骤为：首先在SpaceClaim中抽取中面或创建梁线体；然后在Mechanical的“Model”节点下，为不同几何体分配单元类型——壳单元需定义厚度和偏置，梁单元需定义截面形状；最后通过“Share Topology”或“Joint”处理壳-梁、壳-实体之间的连接。连接处应避免点对点耦合，优先使用绑定接触或远程点，以减小局部应力集中。
五、简化效果验证与注意事项
完成几何简化后，不能直接进入大规模求解，而应先进行验证。推荐做法是：对简化前后的模型分别进行相同工况的静力分析，对比关键位置的位移、应力与约束反力。若最大位移偏差在5%以内、关注区应力偏差在10%以内，则认为简化可接受。对于模态分析，可对比前10阶固有频率，偏差应控制在3%以内。
需要特别注意的是，几何简化会改变局部刚度，可能影响接触收敛性。填充孔洞后，原孔壁的接触对会失效，需重新定义。合并面后，若原面带有不同的边界条件或载荷，合并会导致条件丢失，应在合并前记录并重新施加。混合建模中，壳与实体的连接处容易出现应力奇异，应避免将关注区设在连接界面上。
最后，建议将几何清理与简化步骤脚本化。Ansys Mechanical支持通过ACT或Python脚本批量执行“查找小面—删除—合并—填充”操作，对于系列化产品模型，可大幅提升前处理效率并保证一致性。简化完成后，保存简化后的几何为独立文件，并在项目文档中记录简化清单与验证结果，便于后续追溯与复用。