3. 几何模型准备与处理

瞬态结构动力学仿真与静力学分析最大的差别在于：载荷随时间变化，惯性效应和阻尼不可忽略，求解器需要在大量时间步上反复组装与求解。这意味着几何模型中的每一个细节——一条多余的倒角、一段被忽略的薄壁、一处未定义的接触——都会在成百上千个时间步中被反复计算，直接放大为求解时间与收敛风险。因此，几何准备阶段的目标不是"把 CAD 原样搬进 Mechanical"，而是构建一个面向瞬态求解的等效力学模型：保留决定刚度、质量、惯性与接触路径的特征，剔除只影响局部应力集中、对整体动态响应贡献可忽略的细节。

一、几何简化的判断原则

简化的核心判据是"该特征是否显著改变结构的整体刚度、质量分布或传力路径"。工程上可按以下尺度把握：

• 小特征：倒角、圆角、螺纹、键槽、油孔、标识字符等，尺寸通常小于结构最小特征尺寸的 5%~10%。它们对整体模态频率的影响一般在 1% 以内，但对网格量和时间步长影响很大，应删除或等效处理。
• 薄壁与长细比：当板厚与面内尺寸之比小于 1/10，或梁的长度与截面高度之比大于 10 时，实体单元会因厚度方向网格过密而效率低下，应转为壳或梁单元。
• 非结构质量：螺栓、垫片、传感器、配重块等若只提供质量与局部刚度，可用质量点（Point Mass）或等效密度替代，而不必建出真实几何。
• 对称性：若几何、材料、约束与载荷均关于某平面近似对称，且关注的是对称模态，可用对称边界条件取一半或四分之一模型，直接减少 50%~75% 的自由度。

二、梁、壳、实体单元的选择

单元类型的选择取决于结构的几何比例与关注量。下表给出面向瞬态仿真的常用判据（示例参数，实际应结合网格收敛性验证）：

在 Workbench 中，可通过"概念建模"或"抽取中面"生成壳/梁几何。抽取中面后必须检查：中面是否连续、是否有缝隙、厚度偏置方向是否与实际一致。对于瞬态分析，壳单元的厚度偏置会改变质量惯性矩，进而影响弯曲模态频率，因此偏置量必须与真实几何对应。

三、接触与关节定义前的几何清理

接触是瞬态仿真中最容易引发收敛困难的部分。定义接触前，几何必须满足以下条件：

1. 接触面之间无初始穿透或过大间隙。若存在穿透，求解器会在第一个时间步强制消除，产生虚假冲击。可用"接触工具"检查间隙，必要时通过几何移动或调整 Pinball 半径处理。
2. 接触面网格尽量匹配。瞬态接触中，面-面接触的搜索与积分成本高，若两侧网格尺寸差异过大，会导致接触力振荡。建议接触面网格尺寸比控制在 1:2 以内。
3. 关节（Joint）用于替代复杂连接。螺栓连接、铰链、滑轨等若不需要研究连接件本身的应力，可用旋转副、平移副、固定副等关节替代，大幅降低接触非线性。关节的参考坐标系必须与运动方向一致，否则会约束错误自由度。
4. 清理微小面与短边。CAD 导入后常残留极短边（<0.01 mm）或碎面，它们会导致网格失败或产生畸形单元。可用"虚拟拓扑"合并面、边，或直接删除不影响传力的碎面。

四、命名选择集的创建方法

命名选择集（Named Selection）是瞬态仿真中传递边界条件、载荷与后处理对象的关键载体。创建时应遵循"按功能命名、按几何归属、可复用"的原则：

• 按功能命名：如 NS_FixedBase、NS_ImpactFace、NS_BoltHoles，避免使用 Selection1 这类无意义名称。
• 按几何归属：在 DM 或 SpaceClaim 中先创建命名选择，再导入 Mechanical，可保证几何更新后选择集不丢失。
• 可复用：同一选择集可同时用于约束、载荷、接触面和后处理探针，减少重复选择带来的错误。

在 Mechanical 中创建命名选择集的典型操作是：选择几何面/体 → 右键 Insert → Named Selection → 在 Details 中设置名称与类型（Geometry/Element/Mesh Node）。对于瞬态分析，建议额外创建结果提取选择集，例如 NS_ProbeTip，用于在时间历程后处理中快速提取位移、速度或加速度曲线。

五、一个可复用的检查清单

在把几何送入瞬态求解器之前，建议逐项核对以下内容（示例清单，可按项目增删）：

完成上述步骤后，几何模型才真正具备瞬态求解的条件。后续的网格划分、时间步设置与接触参数调整，都建立在这一步的质量之上。几何准备做得越扎实，瞬态求解中出现的收敛失败、能量异常和结果振荡就越少。