SolidWorks多实体模型导入COMSOL划分六面体网格技巧

前言

使用过多个有限元软件的人都感受得到，每个有限元软件几乎都有自己的一套使用习惯或惯用技法，又或者叫做使用文化。在COMSOL使用文化中，COMSOL有个鲜明的特色就是参数化扫描分析功能——对模型的多个变量进行求解，这自然要求几何模型采用COMSOL自带的几何建模功能，以便于对几何特征进行参数化。这样子建模对于几何结构简单的精细化研究特别有用。然而对于工程分析来说，几何模型一般是非常复杂的，采用COMSOL建立参数化几何模型可能会变得不实际。这在其他偏工程应用的有限元软件中体现得特别明显——其他常常用于工程的有限元软件惯用技法是采用CAD软件建立几何模型，导入到有限元软件建立网格模型和力学模型，甚至网格模型和力学模型都采用第三方软件进行，而把有限元软件仅作为求解器。这样做的目的是因为工程分析对工作效率要求较高，每一样软件都做它自己擅长的事情。

COMSOL的使用者以研究人员居多，他们往往对工程设计类的软件不太熟悉，在研究中，往往有一个复杂的方案在脑海里，想用CAD软件画出来又面对新的软件心生恐惧，利用COMSOL建立复杂几何模型时又常常被陷于大量繁琐的几何尺寸、位置参数里。这是一项费力不讨好的工作。经常的情况是，花费几天建立的几何模型可能想修改，去模型里慢慢查找参数，找这些参数花费的时间可能不及推到重来快。AutoCAD对二维几何绘图、SolidWorks对三维几何建模是公认比较有效率的软件，可以快速而优雅地建立出有限元软件需要的二维几何模型或三维几何模型。AutoCAD和SolidWorks作为二维和三维设计的专业软件平台，本身具有大量复杂的工具，但实践中用于针对有限元几何模型的命令并不多。本文试图消除COMSOL使用人员使用CAD软件和有限元软件的鸿沟，把AutoCAD和SolidWorks针对COMSOL有限元建模而言最有用工具和技巧呈现出来。

下面将分别介绍AutoCAD如何导入COMSOL作为二维几何模型（以轴对称接触模型为例），以及SolidWorks如何导入COMSOL作为三维几何模型（以官方支架静力分析模型和作者自编的椭球实体网格划分实例为例）。结合了AutoCAD的封闭图形绘图技巧和COMSOL的区域概念，便于读者对COMSOL区域概念的深入理解。SolidWorks的多实体零件技巧与COMSOL的区域概念也是对应的，均巧妙地应用的两款软件的优势特色。尤其是运用SolidWorks的多实体建模技巧与COMSOL的“对象分割”工具的使用技巧结合，借用了其他软件块体网格划分思想，以椭球体进行六面体网格的划分为例，以此例启发COMSOL对复杂模型进行六面体网格划分的思路。若要在COMSOL中建立多个复杂的工具对象来分割对象是复杂繁琐的，但这在SolidWorks中运用实体建模的多实体技巧是非常容易的，这使得COMSOL的特色功能（包括“对象分割”功能、“虚拟操作”等针对网格划分便利性的几何操作功能）得到更大发挥。

从SolidWorks导入COMSOL中的技巧

如图11，先通过一个简单例子了解SolidWorks中零件中建立多实体的功能。看看多实体导入COMSOL后是什么效果。

图11

SolidWorks中，在原有实体基础上建立新特征时有个选项叫合并结果，这个选项默认为勾选的，相当于求交集。如图11这样，如果默认情况，生成实体后合并结果，在分界面是合并的；如果去掉合并结果勾选，生成的结果将是分开的多实体（如图12）。

图12

可见，在模型树上实体位置已有两个实体，两个实体分界面是保留的。并且可以对单个实体赋予不同的材料。

当我们把这个CAD文件导入COMSOL时，无论是SolidWorks零件文件直接导入还是另存为Parasolid中间格式再导入，产生的均是两个域（如图13）。这与AutoCAD的情况几乎是类似的——均是封闭空间（二维封闭、三维封闭）产生独立的域。

图13

SolidWorks多实体功能有什么妙用呢？如图14，在COMSOL自带案例库有一个支架模型，演示如何使用使用几何分割工具来划分网格。分割工具在二维也有，但一般二维总是容易划分出较好的四边形网格，所以一般不用它。

图14

我们将通过两个例子来演示如何利用多实体（域）对较复杂的几何模型划分六面体网格。