在 COMSOL 中使用零件庫簡化幾何建模

我是小能

2022年6月22日 10:57

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使用自己創建的或者從 COMSOL Multiphysics? 軟件及其附加產品提供的任何零件庫中添加的幾何零件，可以大大簡化和精簡仿真過程中復雜幾何結構的構建。本文我們將向您介紹如何添加和使用幾何零件，以及創建用戶定義的零件庫。

幾何零件和零件實例

使用 COMSOL Multiphysics 創建幾何的 CAD 工具包括許多幾何體素，就是一些基本的幾何形狀，例如塊、圓錐、圓柱、球體、棱錐和圓環等三維幾何。您可以將這些幾何體素組合起來形成更復雜的幾何結構用于仿真。

幾何零件提供了一種重現和參數化這類復雜幾何圖形的方法。當這些圖形被添加為 COMSOL Multiphysics 幾何后，可以簡化幾何創建，提供方便使用的、具有多個參數的零件，用于定制零件的形狀或尺寸。

在 COMSOL 中使用零件庫簡化幾何建模的圖1
幾何零件示例：多體動力學模塊零件庫中的斜齒輪零件。

被添加為幾何零件（直接在模型中創建或從零件庫中獲取）后，這些圖像將成為活動幾何中的零件實例，看起來就像任何其他幾何特征一樣，成為仿真中定義完整幾何的幾何序列的一部分。在幾何實例的設置窗口中，通過指定輸入參數的值來定義零件實例的形狀、尺寸和位置，這些參數用于定義幾何零件以及實例零件的位置和方向(相對于全局坐標系或用戶定義的工作平面)。

在模型開發器的全局定義下創建幾何零件時，可以訪問用于定義模型組件幾何形狀的幾何序列中提供的同一個 CAD 特征：所有幾何體素；帶有相關拉伸、旋轉和掃描的工作平面；以及其他幾何工具。對于更高級的零件，還可以通過添加If、Else If、Else 和 End If 節點來使用編程，例如，使用一些參數來控制零件的某些方面。此外，您還可以添加參數檢查節點來發現錯誤，例如用戶輸入的參數值超出了實際零件的范圍。還可以定義幾何零件的 1D、2D 和 3D 幾何結構。

對于參數化，您可以直接在主要零件節點的設置窗口中為幾何零件添加輸入參數。當零件用戶將其添加為零件實例時，這些輸入參數就可以供零件用戶使用。此外，您還可以添加一個局部參數子節點來定義在組件中局部使用的其他參數，這些參數不需要用戶指定。

使用零件庫中的幾何零件

COMSOL 零件庫中提供的幾何零件

COMSOL Multiphysics 軟件及其一些附加產品（模塊）中均帶有零件庫，其中包含許多在每個模塊的應用領域中常見并且有用的幾何零件：

COMSOL Multiphysics 軟件：

帶壁的直管和彎管（環形）

AC/DC 模塊：

多匝線圈
單導體線圈
磁芯

傳熱模塊：

各種各樣的散熱器

微流體模塊：

各種微流體通道

攪拌器模塊：

各種類型的葉輪
軸
釜

多體動力學模塊：

外齒輪和內齒輪
齒條

射線光學模塊：

各種類型的透鏡
反射鏡
棱鏡
分束器
反光鏡

RF 模塊：

各種類型的連接器
表面貼裝器件
波導

結構力學模塊：

不同標準的梁
各種類型的螺栓

零件庫中存檔的零件

對于一些更復雜的零件，軟件以 PDF 文檔文件的形式提供。點擊“零件庫”窗口底部的打開 PDF 文檔按鈕就可以獲取這些零件。

在 COMSOL 中使用零件庫簡化幾何建模的圖2
mc_generic_shape 幾何零件，AC/DC 模塊中通用的磁芯幾何形狀，通過 PDF 文檔提供附加信息。

從零件庫添加幾何零件

如果您要選擇合適的幾何零件，可以在 COMSOL 軟件中的零件庫窗口中使用零件庫列表頂部的搜索字段來查看過濾后的零件集。對于所有可用的零件庫，包括任何用戶定義的零件庫，您可以搜索零件的描述文本以及構成零件的幾何節點中的內容。

您可以將零件庫中的幾何零件添加到模型全局定義節點中的幾何零件下的現有零件列表中。右鍵單擊幾何零件節點并選擇零件庫并打開零件庫窗口。在該窗口中，選擇一個零件，然后單擊零件庫窗口左下角的添加到模型。幾何零件將被添加到模型中幾何零件下的任何其他已有幾何零件，然后您可以將其作為零件實例插入具有兼容空間尺寸的任何組件幾何體中。與用戶定義的零件相反，當從零件庫添加預定義零件時，您無法編輯零件的幾何形狀。

從零件庫添加幾何零件的另一種方法是將其作為零件實例添加到模型幾何結構中。右鍵單擊 1D、2D 或 3D 模型組件中的幾何節點，然后從零件子菜單中選擇零件庫來打開零件庫窗口。從該窗口中，選擇一個零件，然后單擊零件庫窗口左下角的添加到幾何。您只能添加與模型組件具有相同空間維度的幾何零件。

在 COMSOL 中使用零件庫簡化幾何建模的圖3
單擊添加到幾何，將 simple_bolt_drill 零件作為一個帶鉆頭的參數化的簡單螺栓零件實例添加到模型幾何體中。

幾何零件將作為零件實例節點被添加到當前模型組件的幾何序列中。
在 COMSOL 中使用零件庫簡化幾何建模的圖4
帶鉆孔的簡單螺栓零件作為一個零件實例被添加到幾何序列中。輸入參數部分列出了該零件的所有參數。

提示：可以在首選項對話框的圖形和繪圖窗口頁面的可視化下的詳細信息列表中選擇精細來設置可視化彎曲和復雜的零件的顯示分辨率。此設置僅影響零件的渲染；幾何的底層表征總是準確的。

創建零件并添加用戶定義的零件庫

參數化零件

為了使幾何零件盡可能通用和有用，它們應該被參數化，這樣就可以為每個零件實例指定其某些部分的形狀和形式以及零件的維度。如上所述，您可以定義一些可供用戶使用的輸入參數；您還可以添加用于內部設置的局部參數用于一些零件需要參數化的零件，這部分零件是不用于用戶輸入的。對于新零件，需要考慮需要添加哪些輸入參數。典型的輸入參數是零件的幾何屬性，例如直徑、厚度、長度和角度。

一個幾何零件示例：端部呈錐形的圓柱體

為了說明幾何零件的概念，這里介紹一個簡單示例，考慮一個由端部呈錐形的直圓柱體組成的零件。它可能是一些機械部件，形狀類似于蠟筆。這個零件由以下幾何體素組成：

直線部分為圓柱體
頂部為圓錐（也稱為圓錐臺）

以下輸入參數定義了這個零件的形狀和大小：

零件的基本半徑
圓柱體的長度
尖端的長度（圓錐）
尖端的半徑（圓錐頂部的半徑）

有了這些信息，您就可以使用以下步驟創建這個幾何零件：

打開一個空模型
右鍵單擊全局定義節點并從幾何零件子菜單中選擇3D 零件
在 3D 零件節點的設置窗口中，添加輸入參數，如下左圖所示
右鍵單擊零件節點并為頂部錐形添加一個圓錐體節點，為圓柱體基底添加一個圓柱體節點，并使用上一步中定義的參數定義它們的大小和位置（參見下面屏幕截圖的中間和右側）

在 COMSOL 中使用零件庫簡化幾何建模的圖5

用于端部呈錐形的圓柱體幾何零件的參數(左)。使用為零件輸入參數定義圓柱體基底(中)和頂部錐體(右)的尺寸、形狀和位置。

通過這些步驟將零件構建為一個末端呈錐形的圓柱體。所有定義的屬性都是通過輸入參數，因此可以創建所需尺寸和形狀的任意零件實例。頂部錐體的局部位置隨著圓柱體的長度在 z 方向上移動，因此它始終連接到圓柱體的頂部。

您現在可以將此零件作為零件實例添加到 3D 組件的幾何圖形中。下圖顯示了這個零件的三個實例，具有不同的輸入參數集。

在 COMSOL 中使用零件庫簡化幾何建模的圖6

使用了默認參數值

在 COMSOL 中使用零件庫簡化幾何建模的圖7

較厚的基底值

在 COMSOL 中使用零件庫簡化幾何建模的圖8

較薄的基底值和較尖的尖端值的零件

使用局部工作平面和選擇

您可以使用幾個附加選項來更輕松地在生成的幾何體中定位零件實例，并定義選擇以將材料和物理設置添加到零件實例。通過在某個位置為零件添加工作平面（作為工作平面節點），您可以在定位零件實例時，將這些平面作為基本平面。您可以在零件實例的設置窗口中的零件中的工作平面列表中選擇這些工作平面，而不是默認的全局 xy 平面。

在 COMSOL 中使用零件庫簡化幾何建模的圖9
選擇在零件中定義的用戶定義工作平面作為零件實例在幾何圖形組件中的位置基線。

例如，通過在零件中定義選擇，您可以使所有域或邊界（或它們的某些特定子集）用作材料、邊界條件和其他物理設置的選擇。您可以使用為零件貢獻的幾何體素中結果實體的選擇部分中的設置，以基于這些體素的幾何形狀創建選擇。您還可以將用戶定義的選擇添加為幾何零件中的節(例如顯式選擇)，然后選中保留選擇復選框并使用在實例中顯示列表中的開啟項以使此類用戶定義的選擇在零件實例中。在零件實例節點的設置窗口中，在域選擇、邊界選擇或任何其他適用的選擇部分，選擇保留下的復選框以將這些選擇保留在組件的幾何體中。此外，當為組件定義材料和物理場時，選擇物理場下的復選框以使選擇可用。

在 COMSOL 中使用零件庫簡化幾何建模的圖10
錐體和圓柱體體素的域選擇，以及顯式部分都可用于使用零件實例的組件中。