改进后的 STL 和 NASTRAN® 文件导入功能及其操作技巧

在为与几何和网格相关的问题提供技术支持时，我们注意到，越来越多用户开始使用由 3D 扫描得到的 STL 文件和 NASTRAN® 文件格式的网格来创建几何。对此类真实物体进行模拟是一项非常具有挑战性的工作，而其中最难的部分是创建几何。现在，新版本的 COMSOL Multiphysics® 软件让此类文件的处理工作变得简单。阅读文章，了解如何使用此项功能，以及如何利用导入的 STL 和 NASTRAN® 文件进行几何创建。

STL 和 NASTRAN® 文件格式

之前发布的一篇博客文章提到，STL 格式是 3D 打印的标准文件格式之一，也常用于 3D 扫描。STL 文件只能描述三维物体，完全由三角形平面片构成，也可以称其为表面网格。STL 是一种被广泛使用的非标准扩展格式，COMSOL Multiphysics 支持单个 STL 文件中包含多个对象。

对于一个标准的文本 STL 文件，其首行以 solid 开头，尾行以 endsolid 开头。许多软件支持包含多个文本段的 STL 文件。导入此类文件将产生多个几何对象，其数量取决于文件中所包含的文本段数量。

导入到 COMSOL Multiphysics 的脊椎的 STL 文件。这一序列展示了通过简化网格建立几何的步骤，从左至右依次是：导入表面网格、生成几何、分割几何，最后将几何嵌入周围的体中，由此生成最终网格。图片来源：Mark Yeoman，Continuum Blue 公司，英国。

NASTRAN® 文件格式是仿真工具之间交换三维网格的最常用格式。此格式支持编写几百个描述各种网格单元、载荷和材料的 NASTRAN® 文件条目，所以能够定义完整的有限元模型。COMSOL Multiphysics 软件支持导入网格、选择和材料。

站在 COMSOL Multiphysics 用户的角度对这两种格式进行对比，我们会发现一些相似之处。这两种格式都包含网格，不过除了上文提到的信息之外，NASTRAN® 格式还可以包含体网格和边界网格。将文件导入到 COMSOL Multiphysics 中后，最重要的问题是如何使之适应仿真。实际上，需要采取什么操作取决于仿真的类型和文件的内容。若 NASTRAN® 文件中的网格质量足以适应仿真，那么我们不需要做其他操作，可以直接导入文件并定义物理场。

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。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。

基于导入的网格创建几何

在近几个版本的 COMSOL Multiphysics 中，基于网格创建几何的步骤变得更简便、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）显示了几何创建的具体设置（右）。几何图片来源：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。导入设置会影响到基于网格构建工作几何结构的难易程度。

几何导入设置中的“简化网格”设置。

为了使创建的几何具有更佳的鲁棒性，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。右：相对简化因子和 缺陷清除因子相对较小的几何。

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。右：缺陷清除因子增加后的几何。图片来源：Mark Yeoman，Continuum Blue 公司，英国。

如果几何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。这也许说明几何中有一个潜在问题，它会给分割几何、合并几何与其他对象、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 几何设置正确的 长度单位。

分割与合并对象

将网格转换成几何结构后，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。

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。

基于网格创建几何的总结

对导入几何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：

• 如需学习如何检查 STL 网格和删除不需要的三角形，请参考此教程：基于表面网格生成几何：导入脊椎 STL 文件
• 浏览“COMSOL 博客”，阅读与网格剖分和几何相关的文章

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。