3. 几何模型准备与修复
在Ansys Mechanical中，网格划分和求解器对几何模型有非常明确的要求：几何必须是“水密”的、拓扑一致的、且不包含对强度结果无贡献却会显著增加计算量的细节。CAD软件导出的模型往往带有小圆角、倒角、螺纹、装配间隙、微小面、重复面、自由边等问题，直接导入Mechanical会导致网格失败、接触识别错误或求解不收敛。因此，几何准备是强度仿真流程中决定成败的关键前置环节。本节围绕DesignModeler（DM）与SpaceClaim两种几何工具，讲解面向强度仿真的简化原则、清理修复方法与参数化准备策略。
一、几何简化的判断依据
几何简化不是“删得越多越好”，而是以“是否影响关注区域的应力/变形结果”为判断标准。通常遵循以下原则：
- 远离关注区的小特征可去除：直径小于全局网格尺寸1/3的孔、半径小于2mm的圆角、倒角、螺纹牙型，若不在应力集中评估范围内，可删除或填充。
- 薄壁小特征需谨慎：薄壁圆角往往是应力集中源，若关注疲劳强度，应保留并局部加密网格，而不是简化掉。
- 对称结构可半简化：利用对称面切分，保留一半模型并施加对称边界，可减少约50%计算量，但需确认载荷与几何均关于该面对称。
- 装配体中的标准件可等效：螺栓、销钉可简化为圆柱体或梁单元，轴承可用远程点+刚度等效，避免复杂接触。
二、DM与SpaceClaim的分工
DM基于特征树，适合参数化驱动和规则几何的清理；SpaceClaim采用直接建模，适合快速修复导入的“无特征”CAD模型。两者均可与Workbench参数集联动。对于强度仿真，推荐流程是：先用SpaceClaim做几何修复与简化，再进入Mechanical划分网格；若需要参数化扫描，则在DM中建立参数化草图或使用SpaceClaim的参数工具。
三、SpaceClaim中的典型修复操作
SpaceClaim的“修复”选项卡提供了针对导入几何的专用工具。实际操作中，先使用“检查几何”（Check Geometry）识别问题类型和数量，再逐项处理：
- 缝合（Stitch）：用于消除自由边。选择相邻面，设置公差（通常0.01~0.1mm），软件自动将间隙小于公差的面缝合为实体。若缝合后仍显示自由边，需检查是否存在微小面或重叠面。
- 填充（Fill）：用于封闭孔洞。选择孔边线，使用“填充”生成平面或曲面补片。对于强度仿真，若孔不在关注区，可直接填充；若孔需要保留，则填充后重新开孔或使用“拉动”调整。
- 合并面（Merge）：将多个共面或近似共面的小面合并为一个大面，减少网格划分时的面片数量。注意合并后可能丢失原有边界，需确认不影响载荷施加区域。
- 修复短边（Repair Short Edges）：自动识别并合并长度小于指定阈值的边，避免网格在此处产生畸形单元。
- 删除重复面（Delete Duplicate Faces）：装配体导入后常出现重合面，导致接触对识别混乱，需删除多余面。
四、DM中的参数化准备
若后续需要进行参数化扫描（如改变圆角半径、板厚、孔径），应在DM中建立参数化模型。关键操作包括：
- 在草图尺寸前加“DS_”前缀，使其成为设计参数，自动出现在Workbench参数集中。
- 使用“参数化”工具将特征尺寸（如拉伸深度、圆角半径）标记为参数。
- 对需要参数化的几何，避免使用“固定”约束，改用尺寸驱动。
- 在DM中完成布尔运算后，检查参数是否仍然关联；若断裂，需重新建立关联。
例如，一个带中心孔的矩形板，板厚t、孔径d、圆角半径r均可参数化。在DM中分别将这三个尺寸标记为参数，进入Mechanical后可在参数集中设置t=10~20mm、d=8~16mm、r=2~6mm，进行DOE或优化设计。
五、命名选择与边界条件准备
几何准备不仅是“修形状”，还包括为后续边界条件施加做准备。在SpaceClaim或DM中，应提前创建命名选择（Named Selection），将关键面、边、体分组命名，例如：
| 命名选择 | 对应对象 | 用途 |
|---|---|---|
| NS_Fixed | 底面 | 固定约束 |
| NS_Load | 顶面 | 施加压力/力 |
| NS_Symmetry | 对称面 | 对称边界 |
| NS_Contact | 接触面组 | 定义接触对 |
| NS_Bolt_Hole | 螺栓孔圆柱面 | 螺栓预紧/梁连接 |
命名选择在Mechanical中可直接映射为边界条件或接触区域，避免在网格划分后反复拾取面。对于复杂装配体，建议在几何阶段就完成命名选择，而不是等到Mechanical中再逐个选择。
六、几何质量检查清单
几何准备完成后，建议按以下清单逐项确认，再进入网格划分：
- 模型是否为单一实体或正确装配的多个实体？是否存在游离碎片？
- 是否存在自由边、重复面、干涉体积？
- 最小面尺寸是否大于全局网格尺寸的1/3？
- 薄壁区域是否已抽中面或保留实体？
- 命名选择是否完整、命名是否规范？
- 参数化尺寸是否已标记并关联？
- 对称面是否已切分并命名？
完成几何准备后，模型即可导入Mechanical进行材料定义、接触设置和网格划分。下一阶段的工作将围绕网格质量与求解设置展开，而几何阶段留下的命名选择和参数化接口，将直接决定后续流程的自动化程度和可重复性。