前处理与后处理 - CAE 仿真的两端 / Pre-Processing and Post-Processing in CAE Simulation
日期：2026-04-29 标签：#前处理 #后处理 #网格划分 #结果可视化 前置知识：CAE 计算机辅助工程
本章目标
- 理解前处理和后处理的概念
- 掌握几何清理与修复技术
- 理解网格划分的原理和方法
- 了解网格质量评估标准
- 掌握边界条件的设置方法
- 理解后处理结果可视化
第1部分：前处理概述
1.1 什么是前处理？
前处理 = Pre-processing
在求解之前的所有准备工作，是 CAE 分析中最耗时的环节。
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 前处理工作量占比 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ CAE 工作时间分配 │
│ │
│ 后处理 10% ████████████████████████░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░ 求解 10% │
│ │
│ 前处理 80% ████████████████████████████████████ │
│ │
│ 前处理 = 80% 的工作量！ │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘1.2 前处理的主要工作
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 前处理工作流程 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ ┌──────────────┐ │
│ │ 1. 导入几何 │ ← 从 CAD 软件导入模型 │
│ └──────┬───────┘ │
│ ↓ │
│ ┌──────────────┐ │
│ │ 2. 几何修复 │ ← 填补破面、去除小特征 │
│ └──────┬───────┘ │
│ ↓ │
│ ┌──────────────┐ │
│ │ 3. 几何简化 │ ← 删除不重要的细节特征 │
│ └──────┬───────┘ │
│ ↓ │
│ ┌──────────────┐ │
│ │ 4. 网格划分 │ ← 核心步骤 │
│ └──────┬───────┘ │
│ ↓ │
│ ┌──────────────┐ │
│ │ 5. 材料定义 │ ← 弹性模量、密度、泊松比 │
│ └──────┬───────┘ │
│ ↓ │
│ ┌──────────────┐ │
│ │ 6. 边界条件 │ ← 载荷、约束 │
│ └──────┬───────┘ │
│ ↓ │
│ ┌──────────────┐ │
│ │ 7. 模型检查 │ ← 质量评估、求解准备 │
│ └──────────────┘ │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘第2部分：几何处理
2.1 几何导入
常见导入格式：
| 格式 | 描述 | 兼容性 |
|---|---|---|
| STEP (STP) | 国际标准，精确表达 | 最好 |
| IGES (IGS) | 老牌格式，有精度损失 | 一般 |
| Parasolid | 西门子公司内核格式 | 依赖内核 |
| ACIS | 达索公司内核格式 | 依赖内核 |
| STL | 三角网格，精度低 | 仅限导入 |
导入后常见问题：
问题1：特征丢失
CAD 中的圆角、倒角在导入后可能丢失或变形
问题2：破面
表面有裂缝、孔洞
问题3：重叠面
多个面重叠在一起
问题4：自由边
应该有面的地方没有面2.2 几何清理与修复
常见修复工具：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 几何修复工具集 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ 填补破面 (Fill Gap) │
│ ╱╲ ╱╲ │
│ ╱ ╲ → ╱ ╲ │
│ ╱ ╲ ╱────╲ │
│ │
│ 删除重叠面 (Remove Overlap) │
│ ███ ███ │
│ ███ → ███ │
│ ███ (合并) │
│ │
│ 缝合曲面 (Stitch) │
│ ╱╲ ╱╲ │
│ ╱ ╲ → ╱──╲ │
│ ╱ ╲ ╲──╱ │
│ │
│ 删除小特征 (Defeature) │
│ 删除小于某尺寸的孔、倒角、凸台 │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘修复策略：
步骤1：检查问题
- 运行几何诊断工具
- 找出破面、自由边、重叠面
步骤2：自动修复
- 使用软件的自动修复功能
- 处理简单问题
步骤3：手动修复
- 逐个处理顽固问题
- 删除多余几何，重新创建缺失面
步骤4：验证
- 确保几何封闭（Watertight）
- 检查体积计算是否正确2.3 几何简化
为什么需要简化？
复杂 CAD 模型 → 仿真分析
问题：
- 细小特征（倒角、圆角、凸台）→ 网格难划分
- 螺纹孔、小孔 → 计算量暴增
- 不关心的细节 → 干扰分析
解决方案：
- 删除不重要的几何特征
- 用简单形状替代复杂细节
- 使用对称/周期边界条件简化方法：
方法1：特征删除
删除：倒角 r<2mm、孔 d<5mm、小凸台
方法2：用梁/壳替代实体
长螺栓 → 梁单元
薄壁件 → 壳单元
方法3：对称简化
完整模型 → 1/4模型（对称面处加对称约束）
方法4：局部细化
全局粗网格 + 关键区域加密第3部分：网格划分
3.1 网格划分概述
网格 = Mesh
把连续几何体分割成离散单元的过程，是有限元的核心。
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 网格划分示意图 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ 连续体： 离散网格： │
│ │
│ ┌──────────────────┐ ┌─┬─┬─┬─┬─┬─┐ │
│ │ │ ├─┼─┼─┼─┼─┼─┤ │
│ │ 实体几何 │ → ├─┼─┼─┼─┼─┼─┤ │
│ │ │ ├─┼─┼─┼─┼─┼─┤ │
│ │ │ ├─┼─┼─┼─┼─┼─┤ │
│ │ │ └─┴─┴─┴─┴─┴─┘ │
│ └──────────────────┘ │
│ 单元集合 │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘3.2 网格类型
结构化网格 vs 非结构化网格：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 网格类型对比 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ 结构化网格 (Structured) │
│ - 网格排列规整，类似棋盘格 │
│ - 节点位置可以用 i,j 索引 │
│ - 质量高，但只适用规则形状 │
│ │
│ ┌─┬─┬─┬─┬─┐ │
│ ├─┼─┼─┼─┼─┤ │
│ ├─┼─┼─┼─┼─┤ │
│ ├─┼─┼─┼─┼─┤ │
│ └─┴─┴─┴─┴─┘ │
│ │
│ 非结构化网格 (Unstructured) │
│ - 网格排列不规则，适应任意形状 │
│ - 自动化程度高，生成速度快 │
│ - 应用最广泛 │
│ │
│ ┌─┬─┬─┬─┬┐ │
│ ╱├┼┼┼┼┼┼┼╲ │
│ ╱├┼┼┼┼┼┼┼┼╲ │
│ ╱┼┼┼┼┼┼┼┼┼┼╲ │
│ └┼┼┼┼┼┼┼┼┼┼┘ │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘二维网格单元：
三角形 (Tria/Tri) 四边形 (Quad)
3节点 4节点或8节点
● ●───●
╱ ╲ ╱ ╲
╱ ╲ ●─────●
╱ ╲ ╲ ╱
●───────● ╲ ╱
●───●
优点：适应复杂形状 优点：精度高
缺点：精度稍低 缺点：复杂区域难生成三维网格单元：
四面体 (Tet) 六面体 (Hex)
4节点或10节点 8节点或20节点
● ●───●
╱│╲ ╱│ ╲│
╱ │ ╲ ╱ │ ╲ │
╱ │ ╲ ╱ │ ╲ │
╱ │ ╲ ●───┼────┼─●
●───┼───● │╲ │ │╱╲
╲ │ ╱ │ ╲─┼────┼─╲
╲ │ ╱ │ ╲│ │ ╲
╲│╱ │ ╲│ │ │
● │ ╲ │ /
│ ╲──┼─/
●──────●
优点：自动生成 优点：精度高、单元数少
缺点：单元数多 缺点：难生成、耗时3.3 网格控制
全局网格控制：
网格参数设置：
├── 网格类型：四面体/六面体/混合
├── 网格密度：整体尺寸因子 (0.1 ~ 2.0)
├── 单元大小：最小/最大/默认尺寸
└── 曲率控制：基于曲率的网格细化局部网格控制：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 局部网格控制 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ 局部加密（关键区域细化）： │
│ │
│ 全局尺寸：10mm │
│ │
│ ┌────────────────────┐ │
│ │ │ │
│ │ ┌──────────┐ │ │
│ │ │ 加密区 │ │ 加密区尺寸：2mm │
│ │ │ 尺寸:2mm │ │ │
│ │ └──────────┘ │ │
│ │ │ │
│ └────────────────────┘ │
│ │
│ 控制方式： │
│ - 选取面/边：指定区域细化 │
│ - 接触对：连接处加密 │
│ - 应力集中区：孔边、倒角处 │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘3.4 网格质量评估
质量指标：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 网格质量检查项 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ 1. 长宽比 (Aspect Ratio) │
│ 最长边 / 最短边 │
│ 优良：< 3 | 可接受：3-5 | 警告：> 5 │
│ │
│ 2. 歪斜度 (Skewness) │
│ 单元偏离正多边形的程度 │
│ 优良：< 0.25 | 可接受：0.25-0.5 | 警告：> 0.5 │
│ │
│ 3. 雅可比 (Jacobian) │
│ 衡量单元畸变 │
│ 优良：> 0.7 | 可接受：0.5-0.7 | 警告：< 0.5 │
│ │
│ 4. 锥度 (Taper) - 四边形 │
│ 最小对角线 / 最大对角线 │
│ 优良：> 0.7 | 可接受：0.4-0.7 | 警告：< 0.4 │
│ │
│ 5. 翘曲度 (Warpage) - 四边形 │
│ 单元平面外偏离程度 │
│ 优良：< 5° | 可接受：5-15° | 警告：> 15° │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘质量检查流程：
步骤1：运行网格检查
软件自动计算所有质量指标
步骤2：查看质量分布
直方图显示各指标分布
步骤3：定位问题单元
高亮显示不合格的单元
步骤4：修复或重划分
- 局部加密/简化几何
- 调整网格参数
- 手动编辑问题单元第4部分：边界条件
4.1 边界条件的定义
边界条件 = Boundary Conditions (BC)
定义模型的外部约束和载荷，是仿真准确性的关键。
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 边界条件类型 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ 载荷 (Loads) │ │
│ │ │ │
│ │ 力载荷 F 压力载荷 p │ │
│ │ ↓ ↓ ↓ ↓ │ │
│ │ ┌───┐ ┌───┐ ┌───────┐ ┌───────┐ │ │
│ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │
│ │ │ ● │ │████████│ │ │ │████████│ │ │
│ │ └───┘ └───────┘ └───────┘ └───────┘ │ │
│ │ │ │
│ │ 重力 温度 磁场 流量 │ │
│ └─────────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ 约束 (Constraints) │ │
│ │ │ │
│ │ 固定约束：完全固定，所有自由度为0 │ │
│ │ ┌────────────────────────────────────┐ │ │
│ │ │▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓│ │ │
│ │ │████████████████████████████████████│ ← 固定端 │ │
│ │ └────────────────────────────────────┘ │ │
│ │ │ │
│ │ 对称约束：对称面上的法向位移为0 │ │
│ │ 销约束：允许轴向/旋转，约束其他自由度 │ │
│ │ 弹性约束：弹簧、橡皮等柔性支撑 │ │
│ └─────────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘4.2 常见载荷类型
| 载荷类型 | 符号 | 单位 | 说明 |
|---|---|---|---|
| 力 | F | N | 集中力作用在点上 |
| 压力 | p | Pa | 分布力作用在面上 |
| 弯矩 | M | N·m | 扭矩、弯矩 |
| 重力 | g | m/s² | 体积力 |
| 温度 | T | °C | 热载荷 |
| 速度 | v | m/s | 流体入口速度 |
4.3 常见约束类型
| 约束类型 | 固定自由度 | 应用场景 |
|---|---|---|
| 固定 (Fixed) | 全部 | 地面、墙上 |
| 对称 (Symmetry) | 法向位移 | 对称结构 |
| 反对称 | 法向位移反向 | 反对称载荷 |
| 销 (Pin) | 平移 | 铰链连接 |
| 滚子 (Roller) | 法向位移 | 桥梁支座 |
| 只拉 (Tension-only) | 压应力时释放 | 绳索、预应力 |
4.4 载荷与约束设置示例
悬臂梁示例：
问题描述：
长度 L = 1m
截面 0.1m × 0.2m
固定端在左端
右端受向下力 F = 1000N
材料：钢
设置步骤：
步骤1：施加约束
选择左端面 → 施加 Fixed Constraint
▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓
▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓ ← 固定端
步骤2：施加载荷
选择右端面 → 施加 Force = -1000N (沿-Y方向)
↓ F = 1000N
════════════════════════════════════════
▓▓▓▓▓
▓▓▓▓▓ ← 固定端第5部分：后处理
5.1 什么是后处理？
后处理 = Post-processing
对求解结果进行分析、可视化和报告的过程。
5.2 结果可视化
云图 (Contour Plot)：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 应力云图示例 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ 颜色表示应力大小： │
│ │
│ 高应力 ←── 红色/橙色 ──→ 绿色/蓝色 → 低应力 │
│ │
│ ┌──────────────────────────────┐ │
│ │░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░│ │
│ │░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░│ │
│ │░░░░░░░░░▒▒▒▒▒▒▒▒▒░░░░░░░░│ │
│ │░░░░░░░░░▒▒▒▒▒▒▒▒▒░░░░░░░░│ │
│ │░░░░░░░░░▒▒▒▒▒▒▒▒▒░░░░░░░░│ │
│ │░░░░░░░░░▒▒▒▒▒▒▒▒▒░░░░░░░░│ │
│ │░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░│ │
│ └──────────────────────────────┘ │
│ ↑ │
│ 应力集中在这里 │
│ (孔边缘) │
│ │
│ 云图可以显示：位移、应力、应变、温度、速度等 │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘常用云图类型：
| 云图类型 | 物理量 | 应用 |
|---|---|---|
| 位移云图 | u, v, w | 整体变形 |
| Mises应力 | σ_eqv | 等效应力（屈服判断） |
| 主应力 | σ1, σ2, σ3 | 主方向应力 |
| 温度云图 | T | 热分析 |
| 速度云图 | V | 流体分析 |
矢量图 (Vector Plot)：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 矢量图示例 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ 箭头表示速度/位移方向： │
│ │
│ → → → → → │
│ ↗ ↗ ↗ ↗ ↗ │
│ → → → → → → │
│ ↘ ↘ ↘ ↘ ↘ │
│ → → → → → │
│ ↗ ↗ ↗ ↗ ↗ ↗ │
│ → → → → → → → │
│ ↘ ↘ ↘ ↘ ↘ ↘ │
│ → → → → → │
│ │
│ 应用：速度场、位移场、应力主方向 │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘5.3 数据提取
关键数据提取：
1. 最大/最小值
- 最大位移
- 最大应力
- 最大温度
2. 路径结果
- 沿某路径的应力分布
- 沿某截面的温度变化
3. 截面结果
- 某截面的应力分布
- 某平面的速度云图
4. 探针测量
- 任意点的数值
- 任意两点的差值5.4 报告生成
标准报告内容：
CAE 分析报告
├── 1. 项目信息
│ ├── 项目名称
│ ├── 分析类型
│ └── 日期
│
├── 2. 模型信息
│ ├── 几何描述
│ ├── 网格统计（单元数、节点数）
│ └── 材料参数
│
├── 3. 边界条件
│ ├── 载荷描述
│ └── 约束描述
│
├── 4. 分析结果
│ ├── 关键结果汇总
│ ├── 云图
│ ├── 数据表格
│ └── 动画截图
│
├── 5. 结论
│ ├── 设计是否满足要求
│ └── 改进建议
│
└── 6. 附录
├── 网格质量报告
└── 设置参数核心总结
总结1：前处理流程
导入几何 → 几何修复 → 简化 → 网格划分 → 材料定义 → 边界条件 → 模型检查
↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓
数据交换 封闭性 细节 单元/节点 属性 载荷/约束 求解准备总结2：网格质量
好网格 = 形状规则 + 过渡平缓 + 密度适当
关键指标：
- 长宽比 < 3
- 歪斜度 < 0.5
- 雅可比 > 0.7总结3：后处理要点
后处理 = 可视化 + 提取 + 报告
云图看整体分布
路径图看局部变化
探针读具体数值章节测试
测试1：工作量占比
CAE 分析中，前处理、求解、后处理的时间比例大致是多少？
测试2：网格类型选择
一个复杂的航空发动机叶片，应该选择什么类型的网格？
测试3：质量指标
网格的"长宽比"是什么？优良范围是多少？
测试4：边界条件
对称结构分析时，对称面上应该施加什么约束？
测试5：云图类型
判断产品是否会发生屈服破坏，应该看什么云图？
参考答案
测试1答案
前处理约 80%，求解约 10%，后处理约 10%。
测试2答案
复杂的航空叶片适合使用非结构化四面体网格，便于自动生成；如果对精度要求高且形状规则，可以考虑六面体主导的混合网格。
测试3答案
长宽比是最长边与最短边的比值，反映单元的形状规整程度。优良范围是 < 3。
测试4答案
对称面上应施加对称约束，约束垂直于对称面的法向位移，其他方向自由。
测试5答案
应该看 Mises 等效应力云图，当 Mises 应力超过材料的屈服强度时，材料会发生屈服。
相关笔记
- [[03 - CAE 计算机辅助工程]] - 仿真基础
- [[05 - 求解器基础]] - 核心计算
- [[07 - 工业软件文件格式]] - 格式转换
下一步学习
- [ ] 阅读 05 - 求解器基础
学习状态：完成