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COMSOL Multiphysics® 软件包含了许多专门用于创建特定类型几何的功能,例如,通过使用平面切割实体从三维对象创建二维几何。在这篇文章中,我们将讨论一些应用了这些功能的示例,介绍这种方法的优势,并演示如何操作。
应用示例和功能介绍
从三维几何体中提取横截面并用于创建二维模型的方法,在构建包含以下要素的模型时尤为实用:
对称或轴对称三维几何,可以基于三维模型创建二维模型,并以更快的速度获得相同几何特征的解
薄壁零件,可以在二维模型中使用平面应力假设
细长零件,可以在二维模型中使用平面应变假设

H 弯波导模型的三维几何(左)和二维横截面几何(右),其物理特性能够采用二维模型进行设置和计算。

光学环形谐振腔陷波滤波器模型的三维几何(左)和二维横截面几何(右)。在进行三维模型仿真前,可先通过二维模型研究光学环形谐振腔的不同设计。

中心有孔的矩形板模型。在创建完整的三维模型(右图)之前,先使用平面应力假设在二维中建立板模型(左图)。
使用这种方法也有助于开发大型或复杂的三维模型。通过利用二维模型近似方法,可以更快速、便捷地研究特定的仿真需求,完善后再将其应用于三维模型。这可能包括分析任何小型或复杂的几何特征、材料属性值、物理场设置、多物理场耦合设置、网格设置或求解器设置。
操作过程
在 COMSOL Multiphysics 中,使用平面切割实体分为两个步骤。首先,为三维模型组件添加一个工作平面。放置工作平面时,需要注意工作平面切割三维实体对象的位置,以便获得合适的横截面。

管件 的三维模型几何(点击「阅读原文」进行下载),启用透明功能可看到其内部结构。在 xz 平面上沿中心轴添加一个工作平面,由此获得横截面。
接下来,添加第二个模型组件(二维或二维轴对称),然后添加 横截面 几何操作。这样,您就可以从三维模型组件中定义的工作平面获得横截面。(也可以使用 投影操作 来完成,但请注意此功能需要使用设计模块)。

用于创建管件的二维轴对称模型的横截面。
建模练习
您可以通过点击「阅读原文」下载下方列出的建模练习,动手实践从本文中学到的建模知识。这里给出的指导说明有意进行了概括,以鼓励您自主解决问题。您可以使用此处提供的参考模型文件手动检查您的模型完成情况,或使用软件自带的比较工具查找模型差异。
推荐练习:
对于 管壳式换热器 几何模型(MPH 文件),确定如何将三维模型转换为二维模型,以获得下图所示的几何图形。
对于 波纹状圆形喇叭天线 几何模型(MPHBIN 文件),创建可用于二维轴对称模型的几何图形。
对于 球形止回阀 几何模型(MPHBIN 文件),创建一个可用于二维轴对称模型的几何图形。
对于管壳式换热器模型,您可以从本文随附的链接下载 MPH 文件。如需 MPHBIN 文件,请下载上方链接的文件,然后将其导入软件。

管壳式换热器三维几何模型(左)和创建二维模型所用的几何图形(右)。
进阶学习
如需进一步了解如何将模型从三维减小至二维,请参阅文章在 COMSOL 中节省计算时间的有效方法。在 COMSOL案例库中,也有一些教程模型可以同时在二维和三维中模拟设备或系统,您可以点击「阅读原文」进一步查看这些模型,了解如何实现模型的二维近似。适用的模型(及其相应的应用领域)包括:
薄板面外传热(传热)
薄域中的质量传递(化学)
电路板的对流冷却(Fluid flow)
永磁电机二维模型(AC/DC)
永磁电机三维模型(AC/DC)
H弯波导(射频)
固态装配谐振器二维(MEMS)
固态装配谐振器三维(MEMS)