< Вернуться к Набору инструментов для автомобильного моделирования

Автор: Джонни Лью
— генеральный директор – Dowway Vehicle

Последнее обновление: Март 2026 г.

---

Быстрый Ответ

Simcenter Nastran – это программа для конечно-элементного анализа, используемая в автомобилестроении для оценки прочности конструкции, жесткости, вибрационных характеристик, усталостного ресурса и безопасности аккумуляторных батарей электромобилей. Решатель поддерживает как линейный, так и нелинейный анализ, обрабатывает очень большие модели с миллионами элементов и подключается к инструментам CAE, используемым для проектирования и моделирования транспортных средств.

---

Почему решатели с использованием конечных элементов важны в автомобилестроении

Разработка транспортных средств в значительной степени зависит от компьютерного моделирования. Инженеры используют инструменты CAE для проверки безопасности конструкции, виброустойчивости и долговечности перед созданием физических прототипов.

В рамках типичного рабочего процесса моделирования:

Этап	Инструмент
Геометрический дизайн	САПР
Подготовка модели	HyperMesh / Simcenter 3D
Структурное решение	Sim – центр Настран
Визуализация результата	Гиперпросмотр / Сообщение Simcenter
Инженерная оптимизация	инструменты проектирования

Решатель вычисляет структурные уравнения, полученные с помощью конечно-элементной модели.

Без решателя результаты моделирования не могут быть сгенерированы.

---

Что такое Simcenter Nastran?

Simcenter Nastran – это решатель для структурного моделирования, разработанный на основе оригинальной технологии NASTRAN от NASA.

В настоящее время это программное обеспечение является частью инженерной платформы Siemens Simcenter и широко используется в:

• аэрокосмическая техника
• автомобильный дизайн
• тяжелая техника
• энергетические системы

В автомобилестроении решатель обычно используется для анализа:

• конструкции кузова транспортного средства
• системы шасси
• вибрация и шум
• аккумуляторные системы электромобилей

Программное обеспечение ценится за численную стабильность и надежные результаты при решении больших структурных моделей.

---

Основные возможности Решателя

Линейный Структурный анализ

Линейный анализ оценивает:

• жесткость
• стресс
• деформация

Simcenter Nastran использует технологию разреженных матриц, включая MUMPS solver.

Конструкции больших транспортных средств могут быть эффективно решены при сохранении погрешности прогнозирования в пределах примерно 5% по сравнению с физическими испытаниями.

---

Нелинейный Структурный анализ

Конструкции транспортных средств часто ведут себя нелинейно.

Simcenter Nastran поддерживает три основные категории нелинейностей.

Геометрическая Нелинейность

Большие эффекты деформации и смещения.

Материальная Нелинейность

Пластическая деформация и повреждение композитных материалов.

Контактная Нелинейность

Контакт поверхность-поверхность и контакт точка-поверхность между компонентами.

Эти возможности позволяют реалистично моделировать конструкции, такие как подвесные системы и аккумуляторные блоки.

---

Анализ NVH С использованием Simcenter Nastran

NVH означает шум, вибрацию и жесткость.
Это одна из основных инженерных задач при проектировании транспортных средств.

Simcenter Nastran включает в себя несколько последовательностей решений для структурной динамики.

---

Модальный анализ — SOL 103

Модальный анализ определяет собственные частоты и режимы вибрации конструкций.

Инженеры используют эти результаты, чтобы избежать резонанса с:

• вибрация двигателя
• частоты электродвигателя
• возбуждение трансмиссии.

---

Анализ частотной характеристики — SOL 108

Анализ частотной характеристики позволяет рассчитать вибрационную характеристику при гармонических нагрузках.

Приложения включают в себя:

• вибрация кузова автомобиля
• возбуждение силового агрегата
• пути акустической передачи.

Поддерживаются как методы прямой частотной характеристики, так и методы модальной частотной характеристики.

---

Динамический анализ переходных процессов — СОЛ 111

Анализ переходных процессов вычисляет структурный отклик, зависящий от времени.

Примеры включают:

• ударные нагрузки на дороге
• вибрационные импульсы
• переходные структурные силы.

Когда имитационные модели калибруются на основе тестовых данных, модальные прогнозы могут соответствовать физическим испытаниям с корреляцией более 90%.

---

Широкие возможности моделирования модели

Современные полноэлементные модели транспортных средств часто содержат миллионы или десятки миллионов элементов.

Simcenter Nastran обрабатывает эти модели с помощью нескольких вычислительных методов.

---

Параллельные вычисления

Доступны два режима вычислений.

SMP — Параллельная общая память

Несколько ядер процессора совместно используют системную память.

DMP — Параллельное распределение памяти

Несколько вычислительных узлов работают вместе.

Параллельное решение может повысить производительность на 30-50%.

---

Адаптивное Уточнение Сетки

Решатель регулирует плотность сетки в зависимости от распределения напряжений.

Площадь	Плотность сетки
Сварные соединения	мелкая сетка
Расположение болтов	изысканная сетка
Области с низким уровнем напряжения	грубая сетка

Это обеспечивает точность при одновременном контроле времени вычислений.

---

Сокращение модели

Большие модели могут быть упрощены перед динамическим моделированием.

Двумя распространенными методами сокращения являются:

Компонентный синтез режимов (CMS)
Сохраняет динамическое поведение подструктур.

Редукция Гайана
Устраняет менее важные степени свободы.

Уменьшенные модели обычно используются при моделировании многофюзеляжных транспортных средств.

---

Применение в автомобильной технике

Структурное моделирование BIW

Белый кузов (BIW) – это основная несущая конструкция транспортного средства.

Инженеры анализируют:

• жесткость при изгибе
• жесткость при кручении
• модальная производительность
• прочность конструкции.

---

Моделирование методом конечных элементов BIW

Модели BIW включают в себя:

• панели из листового металла
• сварные соединения
• болты.

Для упрощения моделей:

• отверстия размером менее 10 мм могут быть удалены
• скругления размером менее 7 мм могут быть упрощены.

Это снижает вычислительные затраты.

---

Моделирование испытания на жесткость

Моделируются два распространенных случая жесткости.

Жесткость при изгибе

Кузов автомобиля установлен вертикально по центру.

Жесткость при кручении

Противоположные колеса ограничены при приложении крутящего момента.

Эти грузовые отсеки имитируют неровные дорожные условия.

---

Пример Инженерного результата

В рамках одной программы разработки компактного транспортного средства:

• Увеличена жесткость при изгибе BIW 12%
• масса тела уменьшилась на 8%

Улучшение произошло за счет замены арматуры и высокопрочных материалов.

---

Анализ Долговечности подвески

Компоненты подвески испытывают повторяющиеся нагрузки во время движения.

Моделирование усталости прогнозирует срок службы и выявляет слабые места.

---

Компоненты модели подвески

Типичные модели подвесок содержат:

• рычаги управления
• амортизаторы
• стабилизаторы поперечной устойчивости
• втулки
• шаровые шарниры.

Втулки моделируются с использованием нелинейных пружин, в то время как шаровые шарниры используют шарнирные ограничения.

---

Загрузка данных

Нагрузки могут исходить от:

• дорожные испытания
• многотельное моделирование с использованием АДАМСА.

Эти нагрузки прикладываются к структурной модели.

---

Нелинейное моделирование

Нелинейный решатель SOL 106 рассчитывает напряжения и деформации в реальных условиях нагружения.

В сварных соединениях часто возникают концентрации напряжений.

---

Прогнозирование усталостного ресурса

Усталостный ресурс рассчитывается с использованием:

Правило линейного кумулятивного урона шахтера
в сочетании с кривой S-N материала.

Это позволяет предсказать, сколько циклов может выдержать компонент.

---

Пример Результата

Для рычага подвески в конструкции внедорожника:

• начальный срок службы: 2 × 10⁵ циклов

Улучшения после сварки:

• усталостный ресурс увеличен до циклов 1 × 10⁶.

---

Моделирование Аккумуляторной батареи электромобиля

Электромобили сопряжены с тепловыми и конструктивными проблемами.

Аккумуляторные блоки должны оставаться в безопасности во время вибрации и циклов зарядки.

---

Конечноэлементная модель Аккумуляторного блока

Типичные компоненты модели включают:

• аккумуляторные модули
• корпус упаковки
• каналы охлаждения
• монтажные кронштейны.

В аккумуляторных модулях используются сплошные элементы, в то время как в корпусных конструкциях часто используются элементы оболочки.

---

Термоструктурная муфта

Применяются две категории нагрузки.

Тепловые нагрузки

Тепло, выделяющееся во время зарядки и разрядки.

Механические нагрузки

Вибрация дороги и ударные силы.

Simcenter Nastran рассчитывает оба эффекта одновременно.

---

Пример Инженерного результата

В одном проекте моделирования EV:

• максимальная температура аккумулятора снижена с 52 ° C до 38 ° C
• снижение структурных напряжений на 25%

Это улучшение произошло за счет изменения компоновки системы охлаждения и усиления корпуса.

---

Интеграция цепочки инструментов CAE

Simcenter Nastran работает в более широкой среде CAE.

---

Инструменты для предварительной обработки

Инструменты для подготовки модели включают:

• Гипермеш
• Simcenter 3D
• САПР-системы.

Поддерживаемые форматы файлов включают:

• BDF
• INP
• ШАГ.

---

Инструменты для последующей обработки

Результаты моделирования можно визуализировать с помощью:

• Гипервизор
• 3D-пост Simcenter
• Технический план.

Эти инструменты отображают карты напряжений, поля смещений, модальные формы и результаты усталости.

---

Интеграция многотельной динамики

Структурные результаты могут быть использованы в моделях динамики транспортных средств, созданных в:

• АДАМС
• Имитируйте движение центра.

---

Интеграция системы управления

При разработке электромобилей структурные модели могут соединяться со встроенными моделями управления:

• MATLAB
• Симулинк.

---

Тестовая Корреляция

Simcenter Nastran подключается к испытательной лаборатории Simcenter для сравнения результатов моделирования с экспериментальными измерениями.

Это повышает точность модели.

---

Промышленное Использование

Технология Simcenter используется многими автомобильными компаниями.

Примеры включают:

Инженерия и технологии Mazda

Время моделирования для анализа решетки динамика было сокращено с 2,5 дней до 4 часов.

Американская ось и производство

Интегрированное моделирование NVH с тестированием с использованием инструментов Simcenter.

Hyundai Motor Group

Использует мультифизическое моделирование и цифровые платформы-близнецы при разработке электромобилей.

---

Будущие направления в моделировании транспортных средств

На инструменты моделирования влияют несколько технологических тенденций.

---

Модели транспортных средств из миллиарда Элементов

Будущие модели транспортных средств могут содержать сотни миллионов или даже миллиарды элементов.

---

Мультифизическое моделирование

Модели транспортных средств все чаще сочетают в себе:

• строительная механика
• тепловое поведение
• поток жидкости
• электромагнетизм.

---

Моделирование С помощью искусственного Интеллекта

Искусственный интеллект может автоматизировать:

• калибровка модели
• настройка моделирования
• оптимизация дизайна.

---

Разработка цифрового Двойника

Цифровые двойники соединяют имитационные модели с реальными эксплуатационными данными на протяжении всего жизненного цикла автомобиля.

---

Вопросы и ответы

Чем Simcenter Nastran отличается от других решателей FEA, используемых в автомобильном CAE?

Simcenter Nastran известен надежными алгоритмами решения структурных и динамических задач, первоначально разработанными в рамках аэрокосмических исследований НАСА.

Он поддерживает как линейный, так и нелинейный анализ методом конечных элементов, включая статические, модальные, частотные характеристики, усталостное и мультифизическое моделирование в одной среде.

Инженеры часто упоминают:

• надежные результаты для больших моделей
• мощные возможности NVH
• масштабируемые параллельные вычисления
• интеграция с CAE-платформой Simcenter.

Эти особенности делают его обычным при анализе конструкции кузова, проектировании шасси и моделировании NVH трансмиссии.

---

Насколько большие модели Simcenter Nastran может обрабатывать при полном моделировании транспортных средств?

Конечно-элементные модели транспортных средств часто насчитывают десятки миллионов элементов.

Simcenter Nastran обрабатывает эти модели с помощью:

• Параллельные вычисления SMP и DMP
• эффективные решатели разреженных матриц
• методы сокращения модели, такие как CMS.

Конфигурация оборудования, настройки решателя и стратегия сокращения модели влияют на производительность.

---

Какие автомобильные симуляции чаще всего выполняются с помощью Simcenter Nastran?

Инженеры часто используют решатель для решения нескольких задач по разработке транспортных средств.

Структурный анализ BIW:

• жесткость
• модальный анализ
• прочность конструкции

Анализ NVH:

• модальные частоты
• реакция на вибрацию
• анализ пути передачи

Анализ долговечности:

• прогнозирование усталостного ресурса
• структурная надежность

Характеристики шасси:

• деформация подвески
• распределение нагрузки

Электромобили:

• безопасность конструкции аккумуляторного блока
• термоструктурное соединение.

---

Как Simcenter Nastran интегрируется с набором инструментов CAE для автомобильной промышленности?

Simcenter Nastran обычно выступает в качестве основного решателя в многоинструментальной инженерной среде.

Инструменты предварительной обработки включают HyperMesh, Simcenter 3D и CAD-системы.

Инструменты постобработки включают HyperView и Simcenter 3D Post.

Инструменты системного моделирования могут включать ADAMS, Simcenter Motion, MATLAB, Simulink и программное обеспечение CFD, такое как STAR-CCM +.

Эта среда поддерживает полные рабочие процессы цифрового проектирования.

---

Каковы общие проблемы при использовании Simcenter Nastran?

Инженеры часто сообщают о нескольких практических проблемах.

Проблемы с качеством сетки:

• искаженные элементы
• непостоянная плотность сетки.

Проблемы с существенными данными:

• отсутствующие кривые усталости
• неполные температурные свойства.

Проблемы с конфигурацией решателя:

• неправильный выбор решателя
• недостаточно места на диске
• ошибки результирующего файла, такие как проблемы с выводом *.f06.

Точные граничные условия и данные о материалах необходимы для получения надежных результатов моделирования.

---

Автор

Джонни Лью
Генеральный директор — Dowway Vehicle

Джонни Лю работает в области автомобилестроения и разработки CAE-технологий. Его работа сосредоточена на проектировании на основе имитационного моделирования, рабочих процессах цифрового инжиниринга и передовых методах разработки транспортных средств.