2. 几何清理与特征简化

在LS-DYNA显式动力学分析中，几何模型的质量直接决定网格划分的可行性与计算效率。实际工程中导入的CAD模型往往包含大量对结构响应影响甚微的细节特征，如小倒角、工艺圆角、螺栓孔、铭牌凹槽等。这些特征若不加处理直接划分网格，会导致单元数量激增、最小时间步长骤降，甚至引发网格畸变和负体积。本节围绕几何清理的核心任务，讲解特征识别准则、简化方法、中面抽取与壳单元转换，以及几何修复工具链的实际操作。

一、几何细节的影响评估与识别准则

几何简化的前提是判断哪些特征可以安全去除。判断依据不是特征本身的绝对尺寸，而是它与网格尺寸、载荷波长和结构响应模态的相对关系。工程上通常采用以下准则：

• 倒角与圆角：当圆角半径小于该区域目标单元尺寸的1/3时，圆角处的曲率变化无法被网格有效捕捉，保留它只会产生大量畸形单元。此时可将圆角替换为直角或直接抑制。若圆角位于高应力集中区（如焊缝趾部），则需保留并局部加密。
• 小孔：当孔径小于结构特征宽度的1/10，且孔边不承受螺栓预紧或接触载荷时，可填充为实体。若孔用于连接且需传递载荷，则应保留并采用垫圈单元或梁单元模拟螺栓。
• 凸台与凹槽：高度小于板厚的1/5且不参与传力的装饰性凸台，可直接删除。参与刚度贡献的加强筋则必须保留。
• 短边与碎面：长度小于0.5mm的边或面积小于1mm²的面，通常由CAD转换误差产生，应通过合并节点或缝合面消除。

二、倒角/圆角与小孔的简化操作

在HyperMesh中，倒角简化可通过Defeature面板的Edge Fillet功能实现。操作时先设置最大圆角半径阈值（例如2mm），软件自动搜索并高亮所有小于该值的圆角边，用户可逐条确认后批量抑制。抑制后原圆角面被相邻面延伸替代，几何拓扑自动缝合。

小孔填充使用Defeature > Hole功能，设置最大孔径（例如5mm），可选择Fill（填充为平面）或Patch（补丁面）。对于位于曲面上的孔，建议使用Patch以保持曲面连续性。填充后需检查面法向是否一致，避免后续网格出现法向翻转。

对于成组排列的螺栓孔，更高效的做法是使用Pattern识别功能，一次性选中所有同规格孔并统一处理。处理完成后，建议用Edges > Preview检查自由边数量，确保填充区域与周围面完全缝合。

三、中面抽取与壳单元转换

对于薄壁结构（厚度与特征尺寸之比小于1/10），采用壳单元替代实体单元可大幅降低计算规模。中面抽取是壳单元建模的关键步骤。以某汽车B柱加强板为例，原始实体厚度1.2mm，若用实体单元建模，沿厚度方向至少需2层单元，单元总数约8万；抽取中面后采用壳单元，单元数降至约1.2万，计算时间缩短约70%。

中面抽取操作在HyperMesh中通过Midsurface面板完成。选择Extract方法，设置厚度阈值范围（如0.5～3mm），软件自动识别薄壁区域并生成中面。抽取后需重点检查：

• 中面是否连续，有无缺失或重叠区域；
• 厚度属性是否自动继承，可在Thickness面板中查看并修正；
• 中面边界的自由边是否与原始几何一致，必要时用Edge Edit缝合。

对于抽取后中面不理想的情况，可采用Offset方法手动偏移面，或使用Skin功能从实体表面直接生成壳网格。壳单元转换时，需注意单元法向一致性，使用Normals面板统一法向，避免接触计算中出现穿透。

四、几何修复工具链

几何修复通常遵循“先清理、再修复、后简化”的顺序。常用工具链包括：

实际操作中，建议先运行Geometry Cleanup的Automatic模式，设置容差0.01mm，软件自动合并距离小于容差的节点并删除短边。随后用Edges > Preview查看剩余自由边，手动缝合。对于无法自动修复的碎面，使用Surface Edit > Trim或Extend手动处理。

需要强调的是，几何简化不是一次性操作，而应与网格划分迭代进行。建议每完成一轮简化后，先划分粗网格进行模态或静力试算，确认简化未显著改变结构刚度或应力分布，再继续细化。对于关键承力区域，宁可保留细节并局部加密，也不应为了追求单元数量而牺牲计算精度。