当遇到“Mesh generation failed”或仿真结果异常时，放弃自动模式，转而采用手动网格优化策略是解决问题的关键。本文将系统性地介绍一套从诊断到实施的手动网格优化流程。

一、 问题诊断：为何自动化会失败？

在动手优化之前，首先需要定位问题根源。常见的失败原因包括：

1. 几何模型问题：存在非实体（如零厚度片）、微小间隙、碎面、重复或未对齐的曲面。这些是网格划分器最常遇到的“陷阱”。

2. 结构尺度悬殊：模型中同时存在远大于和远小于工作波长的结构（例如，大型天线平台上的细小馈电结构），导致网格尺寸跨度极大。

3. 薄层与曲面：对薄层介质（如PCB的铜箔）或复杂曲面的初始网格过于粗糙，无法准确描述其几何与物理特性。

4. 材料属性突变：在不同材料（特别是高介电常数材料与空气）的交界处，场变化剧烈，初始网格不足以分辨。

5. 端口与边界条件设置：端口网格与背景网格不匹配，或边界条件附近的网格过于稀疏。

诊断工具：充分利用CST的网格视图（Mesh View）和诊断工具。在生成网格后（即使是失败的），通过可视化检查网格最密和最疏的区域，寻找网格扭曲、缺失或异常密集的部位，这通常是问题的所在。

二、 手动网格优化核心策略

一旦定位问题，即可采取以下针对性策略。

策略一：局部网格加密 – 最常用且有效的方法

这是解决场集中区域或关键结构分辨率不足的首选方案。

• 操作路径： Mesh View -> 右键 Local Mesh Properties -> Add Local Mesh Property。

• 应用场景与技巧：

  • 场集中区域：如天线馈点、滤波器耦合缝隙、金属边缘、孔缝等处，添加一个局部网格盒子（Box），设置更小的最大网格宽度（Maximum Mesh Step），通常设置为λ/10到λ/20（在介质中）或更小。

  • 关键曲面/曲线：对于决定性能的特定曲面或曲线，可以基于面（Face）或边（Edge）添加局部属性，限制其上的最小网格步长，确保几何形状被精确捕捉。

  • 材料交界处：在不同材料交界处，特别是高介电常数材料周围，添加局部网格以确保场在界面处有足够采样点。

  • 原则：避免过度加密。局部加密区域应恰好包围关键区域，并平滑地过渡到背景网格，否则会急剧增加计算量。

策略二：基于结构的网格（PBA）与薄层网格技术

这是处理曲面和薄层结构的“神器”。

• 基于结构的网格：

  • 原理：PBA技术允许网格在穿过材料边界时不必精确贴合几何表面，而是通过内部算法修正场值，从而在用较粗网格时也能获得高精度。

  • 操作：在全局网格设置（Mesh Type）中通常默认开启。但当模型曲面非常多时，可以尝试在局部网格属性中为特定复杂曲面关闭PBA（如果它导致了网格生成问题），并转而采用更精细的传统网格。

• 薄层网格技术：

  • 应用场景：专门用于处理厚度远小于波长的薄层结构，如PCB的介质层和金属覆铜。

  • 操作：在导航树的 Planes and Layers 中，可以为层状结构（如Microstrip）启用薄层网格。它会自动在薄层厚度方向保证至少2-3个网格单元，从而准确计算法向场分布。对于手动创建的薄层，可以将其指定为一个“Sheet”，并设置合适的网格层数。

策略三：优化全局网格设置

在实施局部加密前，调整全局网格是基础。

• 网格类型选择：

  • Hexagonal：六面体网格，效率高，是大部分情况下的首选。

  • Tetrahedral：四面体网格，对复杂几何的贴合度更好，但计算量通常更大。当六面体网格始终无法生成时，可尝试切换为四面体网格。

• 网格行数：在全局网格设置的 Lines per wavelength（每波长网格数）中，适当提高该值（如从10提高到15-20）可以提升整体网格密度。但这是“全局性”的，计算成本增加显著，应与其他局部策略结合使用。

• 最小/最大网格步长：

  • 设置合理的 最小网格步长（Min. Mesh Step）以避免在微小特征上产生过多无效网格。

  • 设置 最大网格步长（Max. Mesh Step）以控制模型中最稀疏区域的网格质量，确保长波成分也能被捕捉。

策略四：模型简化与修复

有时，最好的网格策略是优化几何模型本身。

• 去除冗余细节：移除对电磁性能影响微小的机械结构（如安装孔、倒角、商标等）。

• 修复几何错误：使用CST的Tools -> Fix Shape 功能或返回原始CAD软件，修复碎面、微小间隙和非法交叠。

• 理想化近似：对于非常细的线或非常薄的层，可以考虑用“Sheet”类型的理想导体或阻抗边界来代替三维实体，从而大幅简化网格。

三、 高级工作流程与最佳实践

1. 迭代优化流程：

   • 从粗到精：首先使用较粗的全局网格进行快速仿真，根据场分布（如电场/磁场监控器）确定需要加密的区域。

   • 添加局部属性：仅在这些关键区域添加局部网格加密。

   • 验证收敛性：逐步细化局部和全局网格设置，观察关键性能参数（如S参数、方向图、阻抗）是否趋于稳定。如果结果变化很小，说明网格已足够精确。

2. 端口网格匹配：确保端口面的网格与传输模式能够被准确解析。对于 waveguide 端口，检查端口面上的场型预览是否光滑、无锯齿。必要时，可以单独为端口区域添加局部网格属性。

3. 利用模板：对于同类问题（如所有PCB板的仿真），可以将成功的网格设置（包括全局和局部属性）保存为模板，后续直接调用，提高效率。

四、 总结

当CST的自动网格划分遇到瓶颈时，手动优化并非盲目地增加网格数量，而是一个系统性的诊断和精准干预过程。其核心思想是：“将计算资源用在刀刃上”。

推荐的操作顺序是：
诊断模型 -> 修复几何 -> 调整全局网格基础 -> 启用薄层/PBA等专用技术 -> 针对性地实施局部加密 -> 迭代验证结果收敛性。

通过熟练掌握这些手动网格优化策略，您将能显著提升处理复杂仿真模型的能力，从根本上解决许多因网格导致的仿真失败问题，并获得更可靠、更精确的仿真结果。