基于导入网格创建 COMSOL 几何模型

本文只讨论需要在 COMSOL Multiphysics 中创建新网格，或者对导入的网格进行一定修改的情况。修改的内容包括：基于导入的表面网格创建一个实体对象，或添加周围的域，或只是分割和删除部分导入的网格。包括创建新网格在内的各类操作都涉及到处理 COMSOL Multiphysics 中的几何模型。为了顺利解决这些情况，我们将看一看如何使用导入的 STL 或 NASTRAN® 文件创建几何模型。

基于导入的网格创建几何模型

在近几个版本的 COMSOL Multiphysics 中，基于网格创建几何模型的步骤变得更简便、直观。现在，当将 STL 文件或 NASTRAN® 文件格式的网格作为几何模型导入时，软件会自动创建一个网格零件，您可以单击网格下拉列表旁的切换到源按钮方便地访问它。

在“几何模型设置”窗口中单击切换到源按钮，可以打开系统创建的网格零件。

使用边界分割设置

借助网格零件中的边界分割设置，我们可以掌控网格边界的分割方式。最小边界分割选项会创建尽可能少的面，有时甚至只创建一个。当源是 3D 扫描时，最小选项通常是一个明智的选择。自动边界分割是缺省选项，它最适用于导入网格的面经过了自然分割的情况（即网格来源于 CAD 设计）。若选择了检测面选项，我们便可以手动设定参数。

左：网格导入的 边界分割设置。右：使用 最小边界分割设置导入的 STL 文件。几何模型图片来源：Mark Yeoman，Continuum Blue 公司，英国。

对于由 3D 扫描得到的、拥有一个或多个平面的网格而言，“检测面”选项最为实用。针对此类情况，我们希望最大程度地减少面的数量，但同时希望平面拥有自己的边界。要达到这一目的，可以将最大边相邻角度设为 180°，它产生的效果与最小设置相同。为了检测平面，务必确保勾选了检测平面边界复选框。

当修改最大边相邻角度无法满足要求，还需要调整最小相对面积和最大相邻角度。最小相对面积设置规定了被检测的平面相对于表面网格总面积的最小面积下限，而最大相邻角度规定了同一平面中相邻边界单元之间的最大角容差。

举例来说，为了检测下图中的两个突出显示的边界，我们将最小相对面积减小到 0.001，并将最大相邻角度增加到 1°。

检测面边界分割特征（左）显示了几何模型创建的具体设置（右）。几何模型图片来源：Mark Yeoman，Continuum Blue 公司，英国。

如果我们需要在某个位置上指定一个边界，可以使用网格零件菜单中的各类分割特征。借助指定大小的球、框或圆柱分割操作，我们可以创建不会被自动检测到的边界，或者将其作为最小边界分割设置的补充。

对几何模型进行平滑处理

导入过程中的下一步是创建具有平滑的边和面的几何模型。导入设置会影响到基于网格构建工作几何模型结构的难易程度。

几何模型导入设置中的“简化网格”设置。

为了使创建的几何模型具有更佳的鲁棒性，我们应当始终启用简化网格复选框。如果导入网格的三角形是各向同性的，并且定义了相对平滑的表面，我们可以减小相对简化容差和缺陷清除因子，从而减少需要执行的简化工作。

通过设置更加严格的相对简化容差，我们降低了网格简化算法可以修改网格的程度上限。相对简化容差针对几何模型整体尺度，而缺陷清除因子则是相对于局部特征尺寸而言的。二者同时启用，限制了在转换为几何模型之前，特定位置上的导入网格最大程度上允许进行多少修改。根据个人经验，与 STL 文件相比，NASTRAN® 格式的网格通常更需要降低其中一个或两个因子。

左图：NASTRAN® 格式的曲轴网格，它的三角形网格表现出显著的各向同性，可以准确描述几何形状。中间：使用默认设置创建的几何模型。右：相对简化因子和缺陷清除因子相对较小的几何模型。

另一方面，当网格的三角形表现出各向异性，且表面网格不能精确地描述表面（即网格来自扫描数据）时，我们可以增加相对简化容差和缺陷清除因子。虽然或许会降低导入的表面网格的精度，但增加其中一个或两个参数有利于修复更多网格问题。

左：各向同性三角形网格中的两个各向异性三角形网格。中间：使用默认导入设置创建的几何模型。右：缺陷清除因子增加后的几何模型。图片来源：Mark Yeoman，Continuum Blue 公司，英国。

如果几何模型的面像上方中图一样奇怪，原因一般是渲染网格生成期间，或者在屏幕上生成面的可视化图时发生了问题。这也许说明几何模型中有一个潜在问题，它会给分割几何模型、合并几何模型与其他对象、甚至是网格剖分带来麻烦。在这种情况下，没有网格剖分问题并且增加了缺陷清除因子的几何模型可以生成“表现更良好”的面。

最后一步导入设置是勾选从面对象形成实体的复选框，从而基于表面网格创建实体对象。处理壳结构时无需勾选此复选框。

另一点需要注意的是：网格文件不包含指定长度单位的信息，因此需要手动在网格零件和几何节点的设置窗口中设定长度单位。

请务必牢记为网格零件和几何模型设置正确的长度单位。

分割与合并对象

将网格转换成几何模型结构后，可以再添加长方体、球体等体素。当针对基于网格创建几何对象执行布尔运算时，也可以引入相交面。

当几何体的表面被其他几何元素内插时，它们并不精确。所以，我们不能假设 STL 球体的表面是完美球形或其他。而且这些对象的面本应该精准匹配，严丝合缝，精确度问题却导致它们难以合并。在这种情况下，我们应该采取的方法是使用形成装配选项并手动或者自动生成一致对，而不用默认的形成联合体方法去形成待剖分网格的几何模型。

在 CAD 软件中保存的 STL 文件

对于使用 CAD 软件进行的设计工作而言，我们建议将其导出为 MCAD 格式，并使用“CAD 导入模块”进行导入。在之前的一篇博客文章中，我们讨论了如何选择 CAD 导入模块，结论是当数据来源于 3D 扫描或者从 COMSOL Multiphysics 导出变形几何或绘图时，STL 格式是最好的选择。

基于网格创建几何模型的总结

对导入几何模型设置中的参数进行修改无法一蹴而就，总要经历多次尝试和错误。我们在文章中介绍了一些基于导入的网格创建几何的最佳实践方法，希望当您在建模过程中使用 STL 和 NASTRAN® 文件时，这些技巧和提示会带来帮助。如果希望进一步了解此话题和相关的建模领域，请浏览以下资源：

如您对本文有任何疑问，或者需要工程师帮助您导入网格，请随时与我们联系。

NASTRAN 是 NASA 的注册商标。

本文内容来自 COMSOL 博客，点击“阅读原文”，阅读更多延伸文章。返回搜狐，查看更多