1 簡介

使用過多個有限元軟件的人都感受得到，每個有限元軟件幾乎都有自己的一套使用習(xí)慣或慣用技法，又或者叫做使用文化。在COMSOL使用文化中，COMSOL有個鮮明的特色就是參數(shù)化掃描分析功能——對模型的多個變量進(jìn)行求解，這自然要求幾何模型采用COMSOL自帶的幾何建模功能，以便于對幾何特征進(jìn)行參數(shù)化。這樣子建模對于幾何結(jié)構(gòu)簡單的精細(xì)化研究特別有用。然而對于工程分析來說，幾何模型一般是非常復(fù)雜的，采用COMSOL建立參數(shù)化幾何模型可能會變得不實際。這在其他偏工程應(yīng)用的有限元軟件中體現(xiàn)得特別明顯——其他常常用于工程的有限元軟件慣用技法是采用CAD軟件建立幾何模型，導(dǎo)入到有限元軟件建立網(wǎng)格模型和力學(xué)模型，甚至網(wǎng)格模型和力學(xué)模型都采用第三方軟件進(jìn)行，而把有限元軟件僅作為求解器。這樣做的目的是因為工程分析對工作效率要求較高，每一款軟件都做它自己擅長的事情。

SolidWorks對三維幾何建模是公認(rèn)比較有效率的軟件，可以快速而優(yōu)雅地建立出有限元軟件需要的二維幾何模型或三維幾何模型。SolidWorks作為專業(yè)的三維設(shè)計軟件平臺，具有大量的幾何工具。SolidWorks的多實體零件技巧與COMSOL的區(qū)域概念也是對應(yīng)的，運用SolidWorks的多實體建模技巧，生成具有多個幾何體的模型，導(dǎo)入COMSOL中形成多個幾何域——便于在COMSOL中劃分規(guī)則網(wǎng)格。若要在COMSOL中建立多個復(fù)雜的工具對象來分割對象是復(fù)雜繁瑣的，但這在SolidWorks中運用實體建模的多實體技巧是非常容易的。

采用這種在SolidWorks中進(jìn)行預(yù)先分塊的的幾何處理方式，然后導(dǎo)入COMSOL中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，比起在COMSOL中創(chuàng)建“工具實體”或“工具面”來進(jìn)行“對象分割”實在方便很多！但是，作為讓步，將會放棄一些幾何參數(shù)化的功能！

如上圖，在SolidWorks中，很容易采用螺旋“工具實體”把螺牙和螺紋槽分開，整個模型成為兩個實體。進(jìn)一步，為了劃分規(guī)則網(wǎng)格，還可以把不規(guī)則的螺旋收尾部分切分開來，如下圖。

下面一部分，將詳細(xì)介紹SolidWorks中對于分塊操作必要的幾何基礎(chǔ)和多實體操作概念。

2  SolidWorks基本操作和多實體

為了掃清使用SolidWorks進(jìn)行建模的障礙，學(xué)習(xí)一些SolidWorks基礎(chǔ)建模知識以及對于幾何分塊有用的多實體操作，是必要的。這些知識可以在任何相關(guān)教材中獲得，但有的則是一些不常用的所謂“高級知識”；而關(guān)于某些命令的某種例外情況的講解，可能在有些教材都找不到。

基本的特征建模（自底向上的方式）。

SolidWorks采用特征建模方式，一個模型從零開始時，是由一個個的特征堆積起來的。

如上圖，最近的SolidWorks版本均采用的是類office界面風(fēng)格。

如上圖中所示，在界面上方，緊挨菜單欄的下方有一些基本的功能選項卡，需要建立草圖時需點選草圖選項卡；一個空的模型可用的特征只有拉伸和旋轉(zhuǎn)；在圖形區(qū)的左邊是“特征樹”，一個新建的文件開始沒有任何實體元素，只有預(yù)定義的幾個元素，其中包括了坐標(biāo)系（3個基準(zhǔn)面和坐標(biāo)原點）；所謂參考幾何體命令位于特征選項卡，用于自定義基準(zhǔn)點、軸、面，這是我們建模中經(jīng)常會用到的命令；特別重要的是：位于圖形區(qū)中上部是視圖可視化操作命令，這是我們建模時觀察模型經(jīng)常會用到的命令，尤其是圖形的隱藏/顯示命令，但是我們一般不在這里使用它，一般是通過選中要隱藏/顯示的幾何元素通過智能提示來使用，例如所有的基準(zhǔn)面默認(rèn)是在繪圖區(qū)隱藏的，當(dāng)我們點選某個基準(zhǔn)面時，會自動彈出幾個常用命令，其中就包括顯示命令，對于其他幾何元素（包括我們后面建立的特征、實體、草圖、點、線、面均可以按照這種智能提示方式來操作，即：點選幾何元素→選擇隱藏/顯示命令），同時，我們注意到，針對我們點選的是基準(zhǔn)面，此時在智能提示的隱藏/顯示命令的左邊還有新建草圖命令，這就是所謂“智能”的意義（它會根據(jù)我們點選的元素類型來決定向我們推薦哪些命令）。

當(dāng)我們新建一個SolidWorks零件文件時，需要先建立草圖，然后才能在草圖的基礎(chǔ)上建立特征。

新建一個草圖時，正規(guī)的操作是：選中某個基準(zhǔn)平面，再選擇草圖選項卡里的草圖繪制命令，進(jìn)入草圖繪制環(huán)境；如前述，也可以選中基準(zhǔn)平面，根據(jù)智能提示選擇新建草圖命令。

如上圖所示，進(jìn)入草圖環(huán)境下，可選擇需要使用的線條命令來繪制線條，如果一個區(qū)域封閉，自動處于淡藍(lán)色上色狀態(tài)。草圖工具欄中的命令按類型進(jìn)行了分區(qū)。這里有個重要的命令是轉(zhuǎn)換實體引用命令，它是把模型中已有的幾何線條投影到這個草圖中來，從而我們不需要重復(fù)地去繪制（對于我們這種對已有幾何模型進(jìn)行拆分的工作而言，充分利用已有幾何線條可以省卻重復(fù)繪圖時間）。

另一個重要的事情是，我們可以把任何實線修改為輔助線（中心線），只需點選某條或某些線，自動出現(xiàn)線條屬性管理界面，勾選作為構(gòu)造線選項后即變成輔助線。這里，我們順便注意到，我們修改了四邊形一條線為輔助線，SolidWorks認(rèn)為這個圖形不封閉，自動去掉了填充色。所以，軟件嚴(yán)格地認(rèn)為，要繪制出實在的圖形，圖形中所有的線條要求必須是實線。

如上圖所示，當(dāng)我們完成一個或多個封閉圖形后，就可以進(jìn)入特征工具選項卡選擇相應(yīng)的特征命令。當(dāng)然這里我們只是隨便畫的圖形，沒有標(biāo)注尺寸。SolidWorks里有個重要的概念叫做約束，圖形完全約束后線條顏色為黑色（而不是我們這里的藍(lán)色），標(biāo)注尺寸是約束的一種手段，這些概念很簡單、也很自然，這里不再展開講，可以通過逐步使用過程中來熟悉。

如上圖所示，例如我們使用基本特征命令中的拉伸命令，彈出的設(shè)置框，可以設(shè)置拉伸尺寸，也可以在圖形區(qū)拉動手柄來加減尺寸（圖中的圖形區(qū)紅框圈出的灰色箭頭狀圖標(biāo)，而且手柄是雙向的）。完成后的圖形如下圖所示。

此時，特征功能選項卡里全部命令都處于激活狀態(tài)，尤其是出現(xiàn)了一些更復(fù)雜特征建模的命令、去除（挖除）類的命令、修改類的命令。我們可以在我們的已有特征上繼續(xù)工作，就像搭積木和雕刻工作一樣，去加一些東西或者去掉一些東西。當(dāng)然，大部分的特征都是建立在草圖基礎(chǔ)上的。此時，我們根據(jù)方便的需要，也可以選擇圖形中的任何平面（而不是內(nèi)建的基準(zhǔn)面）作為草圖平面。

例如上圖，我們想在棱柱的某個斜面上挖個孔，我們只需右鍵點選這個斜面，出現(xiàn)智能提示命令，然后選擇草圖繪制命令進(jìn)入草圖繪圖環(huán)境，繪制出孔的形狀后使用切除特征來實現(xiàn)挖孔、挖槽這類的特征。例如下圖，我們在棱柱的斜面上切了一個環(huán)形槽。

以上，就是對自底向上建模的思路介紹，對于其他的草圖命令和特征命令，以及每個命令的作用和選項，一個一個的試便很容易學(xué)會，也可以僅僅在需要使用的時候去搜索便是。另外就是強(qiáng)調(diào)對視圖可視化命令的熟悉，鼠標(biāo)操作命令的熟悉，以及對模型上的點、線、面的尺寸測量（測量命令在評估工具選項卡里），這些小知識很容易通過搜索或入門教材得到。

SolidWorks多實體的概念和布爾運算工具。

對于我們?yōu)榱司W(wǎng)格劃分的目的而言，我們對幾何模型的切分、分割正是利用的多實體概念。從我們拿到一個現(xiàn)成的模型進(jìn)行切分的角度來說，我們整體思路使用的是自頂向下的建模方法。

（1）前面的例子，實際上我們已經(jīng)悄悄地使用了多實體建模，我們建立了7個相互分離的多實體。特征創(chuàng)建時，出現(xiàn)相互分離的兩個及以上實體會自動創(chuàng)建多實體。這就是我們創(chuàng)建多實體的方式之一。

如上圖所示，模型樹種的實體這一項展開后列出了7個實體，名稱是自動命名的。點選某個實體時，該實體在圖形區(qū)會高亮顯示，并自動彈出智能提示命令，常用的就是對實體進(jìn)行隱藏/顯示操作（帶有眼睛的圖標(biāo)）。

（2）創(chuàng)建多實體的另一種方式是主動創(chuàng)建方式。

如上圖所示，當(dāng)我們在第一個特征基礎(chǔ)上建立第二個特征（增材特征）時，默認(rèn)選項是與第一個特征時融合成一個單實體。因為建立特征時，合并結(jié)果選項默認(rèn)狀態(tài)是勾選的，如下圖所示。

當(dāng)我們去掉合并結(jié)果選項的勾選時，我們的模型就變成了多實體的模型，結(jié)果如下圖所示。此時，我們的模型成為具有兩個實體的多實體模型（這里的長方體和圓柱體相交部分并沒有合并為一體）。

（3）創(chuàng)建多實體的又一種方式是：已有多實體基礎(chǔ)上采用布爾運算生成更多的多實體。

如下圖所示，在特征工具欄有個相交命令，它是SolidWorks的少有的布爾運算命令之一，我們僅需要使用它就能完成所有的實體分割任務(wù)，只要學(xué)會它就夠用了。

如上圖所示，點選相交命令后，在選擇列表增加想要參與布爾運算的實體，實體類型既可以是三維實體，也可以是曲面（包括平面）和基準(zhǔn)面，選擇實體既可以在模型樹的實體列表中選擇，也可以在圖形區(qū)選擇；相交命令有三個設(shè)置選項，相關(guān)的解釋見后文；這里先不解釋這三個設(shè)置選項，接下來點擊相交按鈕；如下圖所示，此時注意到這里也有合并結(jié)果選項，如果點勾選，那么結(jié)果就是合并成單一實體（與組合命令的某個選項行為一樣，所以相交命令通用性強(qiáng)，學(xué)會用它就夠了）；圖中的預(yù)覽選項，默認(rèn)分割出了所有交叉實體（其行為就是布爾運算的交補(bǔ)），在區(qū)域列表或者圖形區(qū)域進(jìn)行點選，可排除不需要的實體（注意是排除而不是保留）；最后點擊綠色的√確認(rèn)按鈕，以獲得我們需要的實體。

我們現(xiàn)在來解讀上面提到相交命令的三個選項。下圖是SolidWorks幫助文檔中對這三個選項的解釋。

我們先解讀第二個選項（創(chuàng)建內(nèi)部區(qū)域），這里的內(nèi)部區(qū)域是指的由實體上的平面或曲面圍成的封閉空間（當(dāng)然是空心的），創(chuàng)建出填充空心空間的實體。如果選擇的所有實體沒有組成這樣一個空心、封閉空間的時候，這個選項什么都不能得到。這個選項對于流體分析非常有用，用于取出流體區(qū)域，比如復(fù)雜閥體、管路中的空心區(qū)域（只需要在開口位置使用平面或者實體進(jìn)行封堵就可取得封閉空間的三維實體）。

第一個選項（創(chuàng)建相交區(qū)域）比較好理解，就是求實體的交集并保留所有部分的實體。

第三個選項（創(chuàng)建上述二者）就是指的第一個選項和第二個選項的合集。

所以，對于我們做分割目的的操作，第一個選項就可以了。原則上，沒有組成封閉空間的情況，一般第一個選項和第三個選項行為是一樣的。但有時第一個選項就是不行，而第三個選項就可以，或者相反。在進(jìn)行選擇時需注意觀察生成結(jié)果是不是你期望的樣子。

補(bǔ)充說明本方式生成多實體的一種重要的情況，使用曲面和基準(zhǔn)面切割實體，同樣采用相交命令。我們注意到前面例子里的實體選擇列表可以是三維實體，可以是曲面實體，還可以是基準(zhǔn)面。如下面例圖，我們在選擇列表里選擇了剛剛建立的曲面和任意一個基準(zhǔn)面，對這些面所通過的實體的部分進(jìn)行切分。這是我們經(jīng)常會使用到的一種分割實體的方法，比如簡單地對一個實體分成幾段，采用這種方式切分特別高效。另外，使用曲面作為工具切分時有一個重要的選項是消耗曲面，勾選此選項，切分后的工具曲面被自動刪除。另外，手動刪除曲面或?qū)嶓w的方式是：選中需要刪除的一個或多個實體，右鍵選擇刪除/保留實體命令。采用這種方式刪除實體有個好處就是它是一個特征，而不是一個操作，可以隨文件保存，文件下次打開后可以進(jìn)行編輯或刪除（此特征）。

關(guān)于上面的三個選項，卻有一個令人驚奇的例外。當(dāng)用于切分實體的曲面是螺旋面時，某些時候（對，根據(jù)不同情況的某些時候）則必須選擇第三個選項。關(guān)于這個例外情況，我們將在后文講螺旋線的時候再仔細(xì)研究。