印刷电路板制造数据的文件格式

在 PCB 设计的早期，必须通过在透明板上为轨迹和焊盘布局形状来手动创建铜层的光掩模。例如，使用自粘胶带或擦拭形状。如今，我们可在 ECAD 设计软件中创建光掩模的布局，并将制造数据以数字方式传输给制造商。

在使用 ECAD 设计软件之前，必须手动创建光掩模才能设计 PCB。图片由 Peellden 提供-自己的作品。通过 Wikimedia Commons在CC BY-SA 3.0下获得许可。

为此，支持几种文件格式。其中 ECAD 导入模块支持使用最广泛的一个选项：ODB ++^® 格式。ODB ++^® 格式是包含 PCB 制造数据的各种文件的压缩存档。行业内另一种广泛使用的格式是 Gerber 格式，该格式支持通过 Artwork Conversion Software, Inc. 提供的转换软件 NETEX-G 导入 COMSOL Multiphysics 软件中。

即将引入的新格式：IPC-2581

IPC-2581 格式是 PCB 制造数据最新添加的可用文件格式，该格式于 2004 年引入。该格式由 IPC-2581 联盟维护和开发，是一种开放标准，用于定义单个基于 XML 的文件以包含 PCB 制造所需的所有必要信息。该信息包括铜线布局、层堆叠和钻孔信息、电气连接和组件数据、物料清单以及其他数据。与其他主要格式相比，IPC-2581 仍处于年轻阶段（原始的 Gerber 格式于 1980 年引入，且原始的 ODB ++^® 格式于 1995 年引入），我们已经看到它获得了 ECAD 设计软件和 PCB 制造商的认可和支持。

虽然现在尚无法通过 ECAD 导入模块导入 IPC-2581 文件（在发布此博客文章时），但 COMSOL 最近加入了 IPC-2581 联盟，并且有望在将来的 COMSOL 软件版本中支持IPC-2581格式。

编者注：2018 年 8 月 17 日：ECAD 导入模块支持从 COMSOL Multiphysics^® 软件 5.3a 版本导入 IPC-2581 PCB 格式。

根据布局数据生成 PCB 几何

无论制造数据的文件格式如何，数据文件中的二维铜线布局都让人联想到早期设计方法中使用的带有附加形状的透明板。区别在于，设计师创建了数字拼贴的形状，而不是真正的“拼贴”，从而在图层上建立轨迹和焊盘。

在导入期间，使用 COMSOL Multiphysics 生成用于仿真的几何图形的第一步是从布局数据中导入单个形状，然后将它们组合成连接的几何对象。在此过程中，将自动消去内部边缘以降低其复杂性。

左图显示了代表焊盘的圆形和代表 ODB ++^® 文件中铜线轨迹的圆角矩形。右图中，没有内部边缘的几何图形生成后，显示出布局的相同区域。该文件由美国新罕布什尔州汉诺威市的 Hypertherm，Inc.提供。

例如，如果导入的数据包含分段的圆形边缘，则所得对象仍可以包含短边缘。我们可以使用“移除细节”功能轻松消去这些错误，该操作可以自动找到短边，并在满足相切要求的情况下折叠或合并它们。

应用 “移除细节”操作后，左侧图像中铜层中孔的分段边缘在右侧图像中被连接在一起，该操作可以自动检测并合并这些分段。该文件由美国新罕布什尔州汉诺威市的 Hypertherm，Inc. 提供。

通过消除这些短边段，我们可以更好地控制网格剖分过程。网格单元不再必须考虑边缘之间的点。相反，我们可以自由调整网格单元的大小，以使网格单元能够解析所选择的孔边界。

在我们选择要导入的 ODB ++^® 文件时，将从文件中读取层厚度和高程信息，并在导入的“设置”窗口中显示。我们可以编辑这些数据，甚至可以从先前保存的文本文件中导入它们。在导入期间，将根据此信息拉伸出选定的二维铜线、电介质和钻孔层。通过将导入类型 从默认的全三维 设置更改为金属壳，可以很容易地关闭铜层的拉伸。这对于将铜层建模为壳几何体的仿真非常有用。我们将不必花费时间将各个厚度值更改为零。

两层 PCB 几何形状的局部视图。该文件由美国新罕布什尔州汉诺威市的 Hypertherm，Inc.提供。

使用选择进行更快的模型设置

PCB 通常由许多铜线和介电层组成。如果在设置仿真时必须手动选择几何实体，例如为某些由许多面组成的铜层分配一定的网格大小，则设置物理场就非常繁琐。为了使此过程更有效，导入定义了不同层的选择。这些选择既可用于下游几何操作，也可用于定义材料、物理场甚至网格设置。

由 “导入”操作定义的选择将自动显示在网格序列的“尺寸”属性的“设置”窗口中。

动手尝试

ECAD 导入模块包括一个新的教程模型，名为从 ODB ++^® 存档中导入 PCB 几何并进行网格剖分。该模型展示了如何从 ODB ++^® 文件导入数据、如何生成PCB的几何形状以及如何设置网格。使用 ECAD 导入模块导入的布局可用于 COMSOL Multiphysics 中的任何类型的分析：电磁、结构、声学、热、流体流动、化学或这些类型的组合。请试试看！

Mentor Graphics 公司根据 ODB ++ 解决方案开发合作伙伴通用条款和条件（http://www.odb-sa.com/）提供了对 ODB ++ 格式实现的支持。ODB ++ 是 Mentor Graphics 公司的注册商标。

CAD 使用简要回顾

计算机辅助设计(CAD)历史悠久，几乎可以追溯到最早的电子计算机。对于大多数公司来说，使用 CAD 软件的最初动机是为了使产品的设计、文件和制造过程自动化，以便清晰、有效地将工程师的设计传达给生产设施。

在三维 CAD 模型之前，产品是由二维设计，即以二维图纸的形式创建的。后来，设计师才开始根据二维图纸生成三维模型。多年来，CAD 设计在产品的生命周期中发挥了重要作用。

如今，无论是服务手册还是分析报告，在各种文档和应用程序中都可以发现三维 CAD 模型。一些组织已经倾向于完全取消传统二维图纸的制作和分发。随着二维图纸的淘汰，三维 CAD 模型成为产品的唯一信息来源，这迫使这些模型在产品的生命周期中简化更多的流程。

准备用于分析的 CAD 设计

在产品生命周期的各个阶段使用同一个三维数据集可能是一项具有挑战性的任务。对于有限元分析尤其如此，因为它通常需要非常高质量的三维几何结构。

例如，为了给组件创建体积网格，我们需要一个表面闭合的几何体，该几何体可以被绘制成具有内部域的实体。通常，这不是我们需要担心的，因为导入的几何数据包含三维实体对象，并且会自动创建网格。

但是，由于设计的复杂性和/或从一种 CAD 格式到另一种格式的重复转换，数据有时会丢失或不准确，这可能会产生具有间隙的不完整表面。在这种情况下，我们需要在导入几何文件的过程中进行自动修复或使用软件内置的修复工具进行修复，接下来，我们将进一步详细描述。

使用同一设计的不同表示

不同类型的分析需要对同一设计进行不同的表示。

在开始建立 COMSOL Multiphysics 模型之前，确定获得预期结果所需的细节水平非常重要。深入理解研究范围和所涉及的物理场，将大大有助于确定有效分析几何体的方法。

例如，为了获得对螺栓螺纹承载能力的细节分析，我们需要使用一个螺栓几何表示，这与在一个包含许多螺栓连接的大型装配体中的热传导模拟不同。

在第一种情况下，螺栓螺纹的细节表示很重要；在第二种情况下，一个填充螺栓孔的简单圆柱体就足够了。根据螺栓在 CAD 文件中的表示方式，我们需要简化它的几何形状或给它添加一些细节，以便运行仿真。

在生成网格之前，经常会遇到需要对某些组件进行简化（也称为特征去除 ）、更多细节表示或修复的情况。

了解可用于修复和重塑几何图形的工具，可以帮助考虑被移除细节的大小和性质。

几何细节的大小如何影响分析

在大多数情况下，圆角、倒角、孔和紧固件等细节对于产品的功能很重要。但是，我们可以根据分析的范围从几何图形中删除它们。删除这些特征以后，会留下相当大的间隙或“缺口”。这个缺口需要使用一个替换表面覆盖，这样才能恢复实体对象，从而允许创建体积网格。

使用 COMSOL Multiphysics 中的特征去除和修复工具时，缺口会作为操作的一部分被自动覆盖(例如，将相邻面延伸到缺口上)。当然，我们总是可以手动删除面并绘制新的几何图形来覆盖缺口。

许多我们想删除的几何特征都很小，可以通过将它们折叠成一个点或线段来删除。这可以在不对周围的面造成明显变化的情况下完成，通常比想办法创建一个更大的面来覆盖一个缺口要容易得多。

非常小的表面补丁经常被引入具有复杂形状的 CAD 模型中，以确保足够光滑的表面。有时，CAD 模型还可能包含半径非常小的圆角或导入较大特征，这会在几何图形中留下非常薄的长条。

在 COMSOL Multiphysics^® 中导入和修复 CAD 几何

要删除的特征越小，越容易覆盖产生的缺口，而不会导致周围几何图形发生意外变化。将非常小的边或面折叠成一个点只需要对相邻的面和边进行非常小的局部更改。同样的道理也适用于将长条折叠成边。

实际上，这两个操作是一系列修复和清理操作的一部分，这些操作在导入 CAD 文件时默认完成。CAD 文件的模型包含了表面的数学描述和有关它们如何连接的信息集合。

由于各种 CAD 格式描述面的方式不同，因此从一种格式转换到另一种格式时，总是有可能出现问题。导出和导入 CAD 文件时可能会发生这种情况。导入算法包括修复功能，可以查找和修复一系列问题，例如不正确或缺失的连接信息、错误的形状信息、容差问题等。

在导入期间，修复算法会检测并删除短边。

在导入过程中控制面

在导入过程中，我们可以控制表面的处理方式。默认情况下，COMSOL Multiphysics 会尝试将表面接合在一起来形成实体对象。在软件执行此操作时，代码会尝试通过创建新表面来弥补任何间隙。对于较大的间隙，这可能会导致意想不到的结果。如果发生这种情况，请更改设置，在导入表面时不缝合或形成实体。然后，我们可以在 COMSOL^® 软件中绘制新表面来覆盖这些间隙。

在大多数情况下，默认导入容差不需要修改，但如果要导入非常大或非常小的对象，最好了解它可以更改。在前一种情况下，容差可能太小，会在几何形状中留下许多细微的细节和其他错误。后一种情况，容差可能太大，会导致重要细节的丢失。

特征去除和修复 CAD 设计

COMSOL^® 软件的用户界面中还可以单独使用导入期间执行的自动修复 和接合至实体 操作。当你使用 CAD 导入模块、设计模块或任何适用于 CAD 的 LiveLink 产品时，将在几何 工具栏下的特征去除和修复 中找到这些操作。

当导入包含较大和较小零部件的装配体，以及相同的容差设置不适用于所有零部件时，这些工具会派上用场。

为此，首先使用针对最小组件调整的容差设置导入装配体。导入后，运行具有较大容差的 修复 和 接合至实体 工具来修复较大的组件。接合至实体 工具可以修复表面之间的间隙，并在可能的情况下创建实体对象。当我们增加容差时，最好谨慎使用这些工具，因为它们可能会导致几何图形发生意外更改。

删除较小的细节

修复 工具查找并删除小于修复容差的面和边。为了精确控制删除的部分，我们可以使用这些工具来检测和删除短边、尖峰、长条和小表面。这些工具适用于可以折叠到边或点的相对较小的特征。

在这个过程中，会稍微修改周围表面的曲率以适应几何形状的变化。这就是为什么这些工具不应该用于删除大表面的原因。对于一些模拟，保持几何的原始表面曲率可能很重要，在这种情况下，最好使用虚拟几何操作对几何进行简化。

通过将长条面、尖峰和短边折叠成边和点来删除它们。

上图中，紧固件细节的突出显示区域包含两个长条面和一个尖刺。这些可以使用删除长条面 和删除尖峰 工具检测和删除。长条面是具有高纵横比的面，而尖峰是面内具有高纵横比的区域。如上图所示，像这样的小特征经常出现在几个不同半径的圆角相遇的地方。删除长条面和尖峰后，仍会保留一条短边，也可以使用删除短边 工具检测和删除这条短边。

特征去除前后紧固件突出显示区域的网格。

删除更大的细节

去除特征的方法只适用于小特征。要想缩小较大的细节间隙，需要使用其他方法。删除圆角、替换面 和 删除孔 工具允许选择要删除的面。这些工具通过扩展或收缩周围的面来缩小产生的间隙。若要成功删除，重要的是相邻面中有足够的信息来覆盖这个间隙。删除操作还可以选择基于间隙边缘创建一个覆盖。

使用 替换面 工具删除大细节。

创建特征

至此，我们已经研究了用于修复和去除导入几何图形特征的工具。使用 分离面 工具(也可以在 特征去除和修复 菜单中找到)，我们可以将一组面分离成一个新的实体对象。如果我们想将不同的材料属性分配给导入对象的某个域(例如，上图中突出显示的紧固件细节)，这个工具将非常有用。

使用这个工具，我们可以通过选择它的壁将通孔分离到实体对象中。为通过实体对象的流动区域创建域的另一种方法是使用端盖面 工具，该工具也可以在 特征去除和修复 菜单中找到。

使用 端盖面工具为孔创建一个新域。

该工具的输入包括型腔入口和出口，或通孔周围的边缘环。基于边，构建覆盖表面来覆盖孔，从而在实体中创建一个新域。鉴于实体周围有一组适当的边，也可以应用此工具来创建将实体划分为不同域的新表面。

延伸阅读

阅读 COMSOL 博客，了解有关使用几何和 CAD 功能的更多信息：

• 不规则形状建模系列博客
• 使用 COMSOL Multiphysics®创建模型几何
• 如何使用模型方法创建随机几何

仿真过程中的几何

在 COMSOL Multiphysics 中建模的第一步通常是创建或导入几何。根据具体的仿真目的，几何可以是一台设备的现实化或理想化表征。

几何有多种构建方式。例如，在工作平面上绘制几何形状，然后进行拉伸，或者创建一个实体对象，并将它与其他实体对象合并在一起，最终使几何成型。在某些情况下，我们要绘制的设备由多个零件构成。为了能够应用不同的材料设置，我们需要将这些零件绘制成单独的实体对象。

从 CAD 文件中导入的几何通常需要经过修复或简化等操作，删除很小或多余的细节。在 COMSOL® 软件中，我们可以绘制新构型来补充导入的对象。不管采取哪种方式创建几何，我们都可以随时返回，编辑各种操作（它们集中在“模型开发器”中几何 节点的几何序列下）。

创建了几何后，我们继续去定义包含材料和边界设置在内的物理场，然后剖分几何的网格。在必要时，我们可以返回定义步骤去修改设计，这时我们最初选定的域和边界会保留物理场设置。在求解之前，我们先创建有限元网格，保证对几何进行充分近似。最后，通过在几何中绘制仿真结果来对其进行评估。

疲劳分析不同阶段的轮辋几何。

仿真背后的数学家

在 COMSOL Multiphysics 中，几何内核 是确保所有上述功能平稳运行的软件组件。内核会始终保留所绘制或导入几何对象的数学表达形式。它所拥有的功能和算法可用于构建几何对象及其之间的交互，例如合并或相交。另外，几何内核的一部分作用是确保几何的关联性，也就是说，在修改几何时，我们不需要重新应用物理场设置。此外，内核还可以为其他软件组件提供几何信息，例如，为网格生成器计算投影或面曲率。

不止一个，而是双重几何内核

针对不同类型的任务，几何内核具有不同的配置。为了保证最佳性能，COMSOL 软件提供了不止一个，而是两个内核。一个是 COMSOL 内核，它最适合处理在软件中创建的几何。为了处理导入的 CAD 几何，“CAD 导入模块”和 CAD 的 LiveLink 模块封装了一个专用的几何内核——Parasolid® 内核（在 UI 中被称为“CAD 导入模块”内核）。

Parasolid® 内核为导入的 CAD 设计提供了修复功能和简化功能（例如删除圆角或孔）。不过，Parasolid® 内核的用途不仅限于修复和特征去除。一般的几何操作也由 Parasolid®内核实现。这意味着就算我们正在使用此内核，也能创建和修改包括导入的 CAD 对象在内的几何。

在特征去除过程中，删除几何中的孔和其他细节。

选择几何内核

如果我们使用了包含“CAD 导入模块”或某个 CAD 的 LiveLink 模块的许可证来安装 COMSOL Multiphysics，那么在启动新模型时，系统会把 Parasolid® 内核设为默认内核。不过我们可以在首选项 窗口中轻松地更改这一设置。

开始建模后，要检查并更改模型组件中的几何内核，可以单击“模型开发器”中的“几何”节点，浏览到“几何”设置窗口。

借助更改设置中的几何表示，我们可以决定哪一个内核将处理当前模型组件中的几何。在更改内核之前，我们必须使用切换到的内核重新生成几何序列。如果 COMSOL 内核包含任何只能使用“CAD 导入模块”内核的操作，则无法使用 COMSOL 内核重新生成几何序列。这些操作包括几何 工具栏中的特征去除和修复 以及导入 功能（如果导入的文件是“CAD 导入模块”支持的格式）下的操作。在这些情况下，我们可以转换要使用的几何，使其与 COMSOL 内核适配。

转换几何对象

从 CAD 文件导入几何时，我们常常使用“CAD 导入模块”内核提供的修复和特征去除操作，以做好分析的准备。虽然打开包含类似几何序列的模型必须使用“CAD 导入模块”，不过我们可以通过两个简单步骤以 COMSOL 格式共享几何。第一步，将去除特征的几何对象转换为 COMSOL 格式。“转换为 COMSOL 对象”操作位于几何 工具栏的转换 选项下，如下图所示。

第二部，将转换好的几何对象导出为 COMSOL Multiphysics 格式（.mphbin 或 .mphtxt）。

扩展阅读

• 了解更多可用的几何建模操作
• CAD 导入模块
• CAD 的 LiveLink 模块：
  • LiveLink for SolidWorks®
  • LiveLink for SpaceClaim®
  • LiveLink for Inventor®
  • LiveLink for AutoCAD®
  • LiveLink for Creo Parametric
  • LiveLink for Pro/ENGINEER®
  • LiveLink for Solid Edge®

Parasolid 是位于美国和其他国家/地区的西门子产品生命周期管理软件有限公司或其子公司的注册商标。所有其他商标均为其各自所有者的财产，COMSOL AB 及其子公司和产品不与上述商标所有者或非 COMSOL 商标所有者相关联，亦不为其正式认可、赞助或支持。相关商标所有者的列表请参见 www.denkrieger.com/trademarks。