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Autor: Johnny Liu
CEO — Dowway Vehicle
Última atualização: Março de 2026
- Resposta rápida
- Por que os solucionadores de elementos finitos são importantes na engenharia automotiva?
- O que é o Simcenter Nastran?
- Principais funcionalidades do solucionador
- Análise NVH usando Simcenter Nastran
- Capacidade de simulação de modelos de grande porte
- Aplicações de Engenharia Automotiva
- Análise de durabilidade da suspensão
- Simulação de bateria para veículo elétrico
- Integração da cadeia de ferramentas CAE
- Uso industrial
- Direções Futuras na Simulação de Veículos
- Perguntas frequentes
- O que diferencia o Simcenter Nastran de outros softwares de análise de elementos finitos (FEA) usados em engenharia assistida por computador (CAE) automotiva?
- Qual o tamanho máximo que o Simcenter Nastran consegue processar em simulações de veículos completos?
- Quais são as simulações automotivas mais comumente realizadas com o Simcenter Nastran?
- Como o Simcenter Nastran se integra à cadeia de ferramentas CAE automotiva?
- Quais são os desafios comuns ao usar o Simcenter Nastran?
- Autor
Resposta rápida
O Simcenter Nastran é um solucionador de análise de elementos finitos usado na engenharia automotiva para avaliar a resistência estrutural, a rigidez, o comportamento vibratório, a vida útil à fadiga e a segurança da bateria de veículos elétricos. O solucionador suporta análises lineares e não lineares, lida com modelos muito grandes com milhões de elementos e se integra a ferramentas CAE usadas para projeto e simulação de veículos.
Por que os solucionadores de elementos finitos são importantes na engenharia automotiva?
O desenvolvimento de veículos depende muito de simulação computacional. Os engenheiros usam ferramentas CAE para verificar a segurança estrutural, o desempenho em relação à vibração e a durabilidade antes de construir protótipos físicos.
Em um fluxo de trabalho de simulação típico:
| Estágio | Ferramenta |
| Desenho geométrico | CAD |
| Preparação do modelo | HyperMesh / Simcenter 3D |
| Resolução estrutural | Simcenter Nastran |
| Visualização de resultados | HyperView / Simcenter Post |
| Otimização de engenharia | ferramentas de design |
O solucionador calcula as equações estruturais produzidas pelo modelo de elementos finitos.
Sem o solucionador, não é possível gerar resultados de simulação.
O que é o Simcenter Nastran?
Simcenter Nastran é um solucionador de simulação estrutural desenvolvido a partir da tecnologia original NASTRAN da NASA.
O software agora faz parte da plataforma de engenharia Siemens Simcenter e é amplamente utilizado em:
- engenharia aeroespacial
- design automotivo
- máquinas pesadas
- sistemas de energia
Na engenharia automotiva, o solver é comumente usado para analisar:
- estruturas da carroceria do veículo
- sistemas de chassis
- vibração e ruído
- sistemas de baterias para veículos elétricos
O software é valorizado por sua estabilidade numérica e resultados confiáveis na resolução de grandes modelos estruturais.
Principais funcionalidades do solucionador
Análise Estrutural Linear
A análise linear avalia:
- rigidez
- estresse
- deformação
O Simcenter Nastran utiliza tecnologia de solução de matrizes esparsas, incluindo o Solucionador MUMPS.
Grandes estruturas de veículos podem ser resolvidas de forma eficiente, mantendo o erro de previsão dentro de aproximadamente 5% em comparação com testes físicos.
Análise Estrutural Não Linear
As estruturas dos veículos frequentemente apresentam comportamento não linear.
O Simcenter Nastran suporta três categorias principais de modelos não lineares.
Não-linearidade geométrica
Efeitos de grandes deformações e deslocamentos.
Não linearidade do material
Deformação plástica e danos em materiais compósitos.
Não linearidade de contato
Contato superfície-a-superfície e contato ponto-a-superfície entre componentes.
Essas capacidades permitem a simulação realista de estruturas como sistemas de suspensão e baterias.
Análise NVH usando Simcenter Nastran
NVH significa Ruído, vibração e aspereza.
É uma das principais tarefas de engenharia no projeto de veículos.
O Simcenter Nastran inclui diversas sequências de solucionadores para dinâmica estrutural.
Análise Modal — SOL 103
A análise modal determina as frequências naturais e os modos de vibração das estruturas.
Os engenheiros utilizam esses resultados para evitar ressonância com:
- vibração do motor
- frequências do motor elétrico
- excitações do sistema de transmissão.
Análise de Resposta em Frequência — SOL 108
A análise de resposta em frequência calcula a resposta vibratória sob cargas harmônicas.
As aplicações incluem:
- vibração da carroceria do veículo
- excitação do trem de força
- caminhos de transferência acústica.
São suportados tanto o método de resposta em frequência direta quanto o método de resposta em frequência modal.
Análise Dinâmica Transitória — SOL 111
A análise transiente calcula a resposta estrutural dependente do tempo.
Exemplos incluem:
- cargas de impacto rodoviário
- pulsos de vibração
- forças estruturais transitórias.
Quando os modelos de simulação são calibrados com dados de teste, as previsões modais podem corresponder aos testes físicos. correlação superior a 90%.
Capacidade de simulação de modelos de grande porte
Os modelos modernos de elementos finitos de veículos completos geralmente contêm milhões ou dezenas de milhões de elementos.
O Simcenter Nastran processa esses modelos por meio de diversos métodos computacionais.
Computação Paralela
Dois modos de computação estão disponíveis.
SMP — Paralelismo de Memória Compartilhada
Vários núcleos de CPU compartilham a memória do sistema.
DMP — Paralelismo de Memória Distribuída
Vários nós de computação trabalham em conjunto.
A resolução paralela pode aumentar o desempenho em 30–50%.
Refinamento adaptativo de malha
O solucionador ajusta a densidade da malha dependendo da distribuição de tensão.
| Área | Densidade da malha |
| juntas soldadas | malha fina |
| Localização dos parafusos | malha refinada |
| Regiões de baixo estresse | malha grossa |
Isso mantém a precisão e, ao mesmo tempo, controla o tempo de computação.
Redução de Modelo
Modelos de grande porte podem ser simplificados antes da simulação dinâmica.
Dois métodos comuns de redução são:
Síntese de Modo de Componente (CMS)
Preserva o comportamento dinâmico das subestruturas.
Redução da Guiana
Remove graus de liberdade menos importantes.
Modelos reduzidos são comumente usados em simulações de veículos multicorpos.
Aplicações de Engenharia Automotiva
Simulação Estrutural da Carroceria em Branco
A carroceria em branco (BIW, na sigla em inglês) é a principal estrutura de suporte de carga de um veículo.
Os engenheiros analisam:
- rigidez à flexão
- rigidez torsional
- desempenho modal
- resistência estrutural.
Modelagem de Elementos Finitos da BIW
Os modelos BIW incluem:
- painéis de chapa metálica
- conexões de solda
- parafusos.
Para simplificar os modelos:
- furos menores que 10 mm pode ser removido
- filés menores que 7 mm pode ser simplificado.
Isso reduz o custo computacional.
Simulação de teste de rigidez
São simulados dois casos comuns de rigidez.
Rigidez à flexão
Carroceria do veículo carregada verticalmente no centro.
Rigidez torsional
As rodas opostas ficam travadas enquanto o torque é aplicado.
Esses casos de carga simulam condições de estrada irregulares.
Exemplo de resultado de engenharia
Em um programa de desenvolvimento de veículos compactos:
- A rigidez à flexão da carroceria aumentou. 12%
- diminuição do peso corporal 8%
A melhoria resultou de alterações no reforço e da substituição do material por outro de alta resistência.
Análise de durabilidade da suspensão
Os componentes da suspensão são submetidos a cargas repetidas durante a condução.
A simulação de fadiga prevê a vida útil e identifica pontos fracos.
Componentes do Modelo de Suspensão
Os modelos de suspensão típicos incluem:
- braços de controle
- amortecedores
- barras estabilizadoras
- buchas
- juntas esféricas.
As buchas são modeladas usando molas não lineares, enquanto as juntas esféricas usam restrições de dobradiça.
Carregar dados
As cargas podem vir de:
- testes de estrada
- simulações de múltiplos corpos usando ADÃOS.
Essas cargas são aplicadas ao modelo estrutural.
Simulação não linear
O solucionador não linear SOL 106 Calcula a tensão e a deformação sob condições de carregamento realistas.
Concentrações de tensão frequentemente aparecem em juntas de solda.
Previsão de vida útil por fadiga
A vida útil à fadiga é calculada usando:
Regra de dano cumulativo linear de Miner
combinado com o curva SN do material.
Isso prevê quantos ciclos um componente pode suportar.
Exemplo de resultado
Para um braço de suspensão em um projeto de SUV:
- vida inicial: 2 × 10⁵ ciclos
Melhorias após a soldagem:
- A vida útil da fadiga aumentou para 1 × 10⁶ ciclos.
Simulação de bateria para veículo elétrico
Os veículos elétricos apresentam desafios térmicos e estruturais.
As baterias devem permanecer seguras durante vibrações e ciclos de carregamento.
Modelo de Elementos Finitos de Pacote de Baterias
Os componentes típicos do modelo incluem:
- módulos de bateria
- alojamento de pacote
- canais de resfriamento
- suportes de montagem.
Os módulos de bateria utilizam elementos sólidos, enquanto as estruturas de alojamento geralmente utilizam elementos de revestimento.
Acoplamento Termoestrutural
São aplicadas duas categorias de carga.
Cargas térmicas
Calor produzido durante os processos de carga e descarga.
cargas mecânicas
Vibrações e forças de impacto da estrada.
O Simcenter Nastran calcula ambos os efeitos simultaneamente.
Exemplo de resultado de engenharia
Em um projeto de simulação de veículo elétrico:
- temperatura máxima da bateria reduzida de 52°C a 38°C
- redução do estresse estrutural 25%
Essa melhoria resultou de alterações no sistema de refrigeração e do reforço da estrutura.
Integração da cadeia de ferramentas CAE
O Simcenter Nastran funciona dentro de um ambiente CAE mais amplo.
Ferramentas de pré-processamento
As ferramentas de preparação de modelos incluem:
- Hipermalha
- Simcenter 3D
- Sistemas CAD.
Os formatos de arquivo suportados incluem:
- BDF
- INP
- ETAPA.
Ferramentas de pós-processamento
Os resultados da simulação podem ser visualizados usando:
- Hipervisualização
- Postagem do Simcenter 3D
- Tecplot.
Essas ferramentas exibem mapas de tensão, campos de deslocamento, modos de vibração e resultados de fadiga.
Integração de dinâmica multicorpos
Os resultados estruturais podem ser usados em modelos de dinâmica veicular criados em:
- ADÃOS
- Simcenter Motion.
Integração de Sistemas de Controle
Para o desenvolvimento de veículos elétricos, os modelos estruturais podem ser conectados a modelos de controle integrados:
- MATLAB
- Simulink.
Correlação de Testes
Simcenter Nastran se conecta com Laboratório de Testes Simcenter Comparar os resultados da simulação com as medições experimentais.
Isso melhora a precisão do modelo.
Uso industrial
A tecnologia Simcenter é utilizada por muitas empresas do setor automotivo.
Exemplos incluem:
Engenharia e Tecnologia da Mazda
O tempo de simulação para análise da grade do alto-falante foi reduzido de 2,5 dias a 4 horas.
American Eixos e Fabricação
Simulação integrada de NVH com testes utilizando as ferramentas do Simcenter.
Grupo Hyundai Motor
Utiliza simulação multifísica e plataformas de gêmeos digitais durante o desenvolvimento de veículos elétricos.
Direções Futuras na Simulação de Veículos
Diversas tendências tecnológicas estão influenciando as ferramentas de simulação.
Modelos de veículos com bilhões de elementos
As simulações futuras de veículos podem conter centenas de milhões ou até bilhões de elementos.
Simulação Multifísica
Os modelos de veículos combinam cada vez mais:
- mecânica estrutural
- comportamento térmico
- fluxo de fluido
- eletromagnetismo.
Simulação assistida por IA
A inteligência artificial pode automatizar:
- calibração do modelo
- configuração de simulação
- Otimização de projeto.
Engenharia de Gêmeos Digitais
Os gêmeos digitais conectam modelos de simulação com dados operacionais reais durante o ciclo de vida do veículo.
Perguntas frequentes
O que diferencia o Simcenter Nastran de outros softwares de análise de elementos finitos (FEA) usados em engenharia assistida por computador (CAE) automotiva?
O Simcenter Nastran é conhecido por seus algoritmos confiáveis de resolução de estruturas e dinâmicas, originalmente desenvolvidos a partir de pesquisas aeroespaciais da NASA.
Ele suporta análises de elementos finitos lineares e não lineares, incluindo simulações estáticas, modais, de resposta em frequência, de fadiga e multifísicas em um único ambiente.
Os engenheiros costumam mencionar:
- Resultados confiáveis para modelos de grande porte
- fortes capacidades de NVH
- computação paralela escalável
- Integração com a plataforma Simcenter CAE.
Essas características tornam seu uso comum em análises de estrutura de carroceria, engenharia de chassis e simulação de NVH (ruído, vibração e aspereza) de sistemas de propulsão.
Qual o tamanho máximo que o Simcenter Nastran consegue processar em simulações de veículos completos?
Os modelos de elementos finitos de veículos frequentemente excedem dezenas de milhões de elementos.
O Simcenter Nastran lida com esses modelos através de:
- Computação paralela SMP e DMP
- solucionadores de matrizes esparsas eficientes
- técnicas de redução de modelos, como o CMS.
A configuração do hardware, as configurações do solucionador e a estratégia de redução do modelo influenciam o desempenho.
Quais são as simulações automotivas mais comumente realizadas com o Simcenter Nastran?
Os engenheiros utilizam frequentemente o solucionador para diversas tarefas de desenvolvimento de veículos.
Análise estrutural da carroceria em branco:
- rigidez
- análise modal
- resistência estrutural
Análise NVH:
- frequências modais
- resposta à vibração
- análise do caminho de transferência
Análise de durabilidade:
- previsão de vida útil à fadiga
- confiabilidade estrutural
Desempenho do chassi:
- deformação de suspensão
- distribuição de carga
Veículos elétricos:
- segurança estrutural do pacote de baterias
- Acoplamento térmico-estrutural.
Como o Simcenter Nastran se integra à cadeia de ferramentas CAE automotiva?
O Simcenter Nastran normalmente atua como o solucionador principal em um ambiente de engenharia com múltiplas ferramentas.
As ferramentas de pré-processamento incluem HyperMesh, Simcenter 3D e sistemas CAD.
As ferramentas de pós-processamento incluem o HyperView e o Simcenter 3D Post.
As ferramentas de simulação de sistemas podem incluir ADAMS, Simcenter Motion, MATLAB, Simulink e softwares de CFD, como o STAR-CCM+.
Este ambiente suporta fluxos de trabalho completos de engenharia digital.
Quais são os desafios comuns ao usar o Simcenter Nastran?
Os engenheiros frequentemente relatam diversos problemas práticos.
Problemas de qualidade da malha:
- elementos distorcidos
- Densidade de malha inconsistente.
Problemas com dados de materiais:
- curvas de fadiga ausentes
- propriedades de temperatura incompletas.
Problemas de configuração do solucionador:
- seleção incorreta do solucionador
- espaço em disco insuficiente
- erros no arquivo de resultado, como problemas com arquivos de saída *.f06.
Condições de contorno e dados de materiais precisos são essenciais para resultados de simulação confiáveis.
Autor
Johnny Liu
CEO — Dowway Vehicle
Johnny Liu trabalha com engenharia automotiva e desenvolvimento de tecnologia CAE. Seu trabalho se concentra em projetos orientados por simulação, fluxos de trabalho de engenharia digital e métodos avançados de desenvolvimento de veículos.
