在為與幾何和網格相關的問題提供技術支持時，我們注意到，越來越多用戶開始使用由 3D 掃描得到的 STL 文件和 NASTRAN? 文件格式的網格來創建幾何。對此類真實物體進行模擬是一項非常具有挑戰性的工作，而其中最難的部分是創建幾何。現在，新版本的 COMSOL Multiphysics? 軟體讓此類文件的處理工作變得簡單。閱讀文章，了解如何使用此項功能，以及如何利用導入的 STL 和 NASTRAN? 文件進行幾何創建。

STL 和 NASTRAN? 文件格式

STL 格式是 3D 列印的標準文件格式之一，也常用於 3D 掃描。STL 文件只能描述三維物體，完全由三角形平面片構成，也可以稱其為表面網格。STL 是一種被廣泛使用的非標準擴展格式，COMSOL Multiphysics 支持單個 STL 文件中包含多個對象。

對於一個標準的文本 STL 文件，其首行以solid開頭，尾行以endsolid開頭。許多軟體支持包含多個文本段的 STL 文件。導入此類文件將產生多個幾何對象，其數量取決於文件中所包含的文本段數量。

導入到 COMSOL Multiphysics 的脊椎的 STL 文件。這一序列展示了通過簡化網格建立幾何的步驟，從左至右依次是：導入表面網格、生成幾何、分割幾何，最後將幾何嵌入周圍的體中，由此生成最終網格。圖片來源：Mark Yeoman，Continuum Blue 公司，英國。

NASTRAN? 文件格式是模擬工具之間交換三維網格的最常用格式。此格式支持編寫幾百個描述各種網格單元、載荷和材料的 NASTRAN? 文件條目，所以能夠定義完整的有限元模型。COMSOL Multiphysics 軟體支持導入網格、選擇和材料。

站在 COMSOL Multiphysics 用戶的角度對這兩種格式進行對比，我們會發現一些相似之處。這兩種格式都包含網格，不過除了上文提到的信息之外，NASTRAN? 格式還可以包含體網格和邊界網格。將文件導入到 COMSOL Multiphysics 中後，最重要的問題是如何使之適應模擬。實際上，需要採取什麼操作取決於模擬的類型和文件的內容。若 NASTRAN? 文件中的網格質量足以適應模擬，那麼我們不需要做其他操作，可以直接導入文件並定義物理場。

本文只討論需要在 COMSOL Multiphysics 中創建新網格，或者對導入的網格進行一定修改的情況。修改的內容包括：基於導入的表面網格創建一個實體對象，或添加周圍的域，或只是分割和刪除部分導入的網格。包括創建新網格在內的各類操作都涉及到處理 COMSOL Multiphysics 中的幾何。為了順利解決這些情況，我們將看一看如何使用導入的 STL 或 NASTRAN? 文件創建幾何。

基於導入的網格創建幾何

在近幾個版本的 COMSOL Multiphysics 中，基於網格創建幾何的步驟變得更簡便、直觀。現在，當將 STL 文件或 NASTRAN? 文件格式的網格作為幾何導入時，軟體會自動創建一個網格零件，您可以單擊網格 下拉列表旁的切換到源 按鈕方便地訪問它。

在「幾何設置」窗口中單擊 切換到源按鈕，可以打開系統創建的 網格零件。

使用邊界分割設置

藉助網格零件 中的邊界分割 設置，我們可以掌控網格邊界的分割方式。最小 邊界分割選項會創建儘可能少的面，有時甚至只創建一個。當源是 3D 掃描時，最小 選項通常是一個明智的選擇。自動 邊界分割是預設選項，它最適用於導入網格的面經過了自然分割的情況（即網格來源於 CAD 設計）。若選擇了檢測面 選項，我們便可以手動設定參數。

網格導入的 邊界分割設置。
使用最小邊界分割設置導入的 STL 文件。幾何圖片來源：Mark Yeoman，Continuum Blue 公司，英國。

對於由 3D 掃描得到的、擁有一個或多個平面的網格而言，「檢測面」選項最為實用。針對此類情況，我們希望最大程度地減少面的數量，但同時希望平面擁有自己的邊界。要達到這一目的，可以將最大邊相鄰角度 設為 180°，它產生的效果與最小 設置相同。為了檢測平面，務必確保勾選了檢測平面邊界 複選框。

當修改最大邊相鄰角度 無法滿足要求，還需要調整最小相對面積 和最大相鄰角度。最小相對面積設置規定了被檢測的平面相對於表面網格總面積的最小面積下限，而最大相鄰角度 規定了同一平面中相鄰邊界單元之間的最大角容差。

舉例來說，為了檢測下圖中的兩個突出顯示的邊界，我們將最小相對面積 減小到 0.001，並將最大相鄰角度 增加到 1°。

檢測面邊界分割特徵（上）顯示了幾何創建的具體設置（下）。幾何圖片來源：Mark Yeoman，Continuum Blue 公司，英國。

如果我們需要在某個位置上指定一個邊界，可以使用網格零件 菜單中的各類分割特徵。藉助指定大小的球、框 或圓柱 分割操作，我們可以創建不會被自動檢測到的邊界，或者將其作為最小 邊界分割設置的補充。

對幾何進行平滑處理

導入過程中的下一步是創建具有平滑的邊和面的幾何。導入設置會影響到基於網格構建工作幾何結構的難易程度。

幾何導入設置中的「簡化網格」設置。

為了使創建的幾何具有更佳的魯棒性，我們應當始終啟用簡化網格 複選框。如果導入網格的三角形是各向同性的，並且定義了相對平滑的表面，我們可以減小相對簡化容差 和缺陷清除因子，從而減少需要執行的簡化工作。

通過設置更加嚴格的相對簡化容差，我們降低了網格簡化演算法可以修改網格的程度上限。相對簡化容差針對幾何整體尺度，而缺陷清除因子 則是相對於局部特徵尺寸而言的。二者同時啟用，限制了在轉換為幾何之前，特定位置上的導入網格最大程度上允許進行多少修改。根據個人經驗，與 STL 文件相比，NASTRAN? 格式的網格通常更需要降低其中一個或兩個因子。

上圖：NASTRAN? 格式的曲軸網格，它的三角形網格表現出顯著的各向同性，可以準確描述幾何形狀。中間：使用默認設置創建的幾何。下圖：相對簡化因子和 缺陷清除因子相對較小的幾何。

另一方面，當網格的三角形表現出各向異性，且表面網格不能精確地描述表面（即網格來自掃描數據）時，我們可以增加相對簡化容差 和缺陷清除因子。雖然或許會降低導入的表面網格的精度，但增加其中一個或兩個參數有利於修復更多網格問題。

上圖：各向同性三角形網格中的兩個各向異性三角形網格。中圖：使用默認導入設置創建的幾何。下圖：缺陷清除因子增加後的幾何。圖片來源：Mark Yeoman，Continuum Blue 公司，英國。

如果幾何的面像上方中圖一樣奇怪，原因一般是渲染網格 生成期間，或者在屏幕上生成面的可視化圖時發生了問題。這也許說明幾何中有一個潛在問題，它會給分割幾何、合併幾何與其他對象、甚至是網格剖分帶來麻煩。在這種情況下，沒有網格剖分問題並且增加了缺陷清除因子 的幾何可以生成「表現更良好」的面。

最後一步導入設置是勾選從面對象形成實體 的複選框，從而基於表面網格創建實體對象。處理殼結構時無需勾選此複選框。

另一點需要注意的是：網格文件不包含指定長度單位 的信息，因此需要手動在網格零件 和幾何節點的設置窗口中設定長度單位。

請務必牢記為 網格零件和 幾何設置正確的 長度單位。

分割與合併對象

將網格轉換成幾何結構後，可以再添加長方體、球體等體素。當針對基於網格創建幾何對象執行布爾運算時，也可以引入相交面。

當幾何體的表面被其他幾何元素內插時，它們並不精確。所以，我們不能假設 STL 球體的表面是完美球形或其他。而且這些對象的面本應該精準匹配，嚴絲合縫，精確度問題卻導致它們難以合併。在這種情況下，我們應該採取的方法是使用形成裝配 選項並手動或者自動生成一致對，而不用默認的形成聯合體 方法去形成待剖分網格的幾何。

在 CAD 軟體中保存的 STL 文件

對於使用 CAD 軟體進行的設計工作而言，我們建議將其導出為 MCAD 格式，並使用「CAD 導入模塊」進行導入。我們曾討論過如何選擇 CAD 導入模塊，結論是當數據來源於 3D 掃描或者從 COMSOL Multiphysics 導出變形幾何或繪圖時，STL 格式是最好的選擇。

基於網格創建幾何的總結

對導入幾何設置中的參數進行修改無法一蹴而就，總要經歷多次嘗試和錯誤。我們在文章中介紹了一些基於導入的網格創建幾何的最佳實踐方法，希望當您在建模過程中使用 STL 和 NASTRAN? 文件時，這些技巧和提示會帶來幫助。如果希望進一步了解此話題和相關的建模領域，請瀏覽以下資源：

如需學習如何檢查 STL 網格和刪除不需要的三角形，請參考此教程：基於表面網格生成幾何：導入脊椎 STL 文件

瀏覽「COMSOL 博客」，閱讀與網格剖分和幾何相關的文章。

經授權轉載自 cn.comsol.com/blogs，原作者 Hanna Goth?ll。

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