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Autor: Johnny Liu
CEO — Dowway Vehicle

Letzte Aktualisierung: März 2026

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Kurzantwort

Simcenter Nastran ist ein Finite-Elemente-Analyse-Solver, der in der Automobiltechnik zur Bewertung von Strukturfestigkeit, Steifigkeit, Schwingungsverhalten, Ermüdungslebensdauer und Batteriesicherheit von Elektrofahrzeugen eingesetzt wird. Der Solver unterstützt sowohl lineare als auch nichtlineare Analysen, verarbeitet sehr große Modelle mit Millionen von Elementen und ist mit CAE-Werkzeugen für Fahrzeugkonstruktion und -simulation kompatibel.

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Warum Finite-Elemente-Lösungsverfahren in der Automobiltechnik wichtig sind

Die Fahrzeugentwicklung stützt sich maßgeblich auf Computersimulationen. Ingenieure nutzen CAE-Tools, um die strukturelle Sicherheit, das Schwingungsverhalten und die Haltbarkeit zu überprüfen, bevor physische Prototypen gebaut werden.

Innerhalb eines typischen Simulationsablaufs:

Bühne	Werkzeug
Geometrisches Design	CAD
Modellvorbereitung	HyperMesh / Simcenter 3D
Strukturelle Lösung	Simcenter Nastran
Ergebnisvisualisierung	HyperView / Simcenter Post
Optimierung im Ingenieurwesen	Designwerkzeuge

Der Solver berechnet die vom Finite-Elemente-Modell erzeugten Strukturgleichungen.

Ohne den Solver können keine Simulationsergebnisse generiert werden.

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Was ist Simcenter Nastran?

Simcenter Nastran ist ein Struktursimulationslöser, der auf der ursprünglichen NASTRAN-Technologie der NASA basiert.

Die Software ist nun Teil der Siemens Simcenter Engineering-Plattform und wird in vielen Bereichen eingesetzt:

• Luft- und Raumfahrttechnik
• Automobildesign
• schwere Maschinen
• Energiesysteme

In der Automobiltechnik wird der Solver üblicherweise zur Analyse folgender Funktionen verwendet:

• Fahrzeugkarosseriestrukturen
• Fahrgestellsysteme
• Vibrationen und Geräusche
• Batteriesysteme für Elektrofahrzeuge

Die Software wird für ihre numerische Stabilität und die Zuverlässigkeit der Ergebnisse bei der Lösung großer Strukturmodelle geschätzt.

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Kernfunktionen des Solvers

Lineare Strukturanalyse

Die lineare Analyse wertet Folgendes aus:

• Steifheit
• Stress
• Verformung

Simcenter Nastran nutzt die Technologie zur Lösung dünnbesetzter Matrizen, einschließlich der MUMPS-LöserDie

Große Fahrzeugstrukturen lassen sich effizient lösen, wobei der Vorhersagefehler innerhalb etwa 5 % im Vergleich zu körperlichen TestsDie

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Nichtlineare Strukturanalyse

Fahrzeugstrukturen weisen häufig nichtlineares Verhalten auf.

Simcenter Nastran unterstützt drei Hauptkategorien nichtlinearer Funktionen.

Geometrische Nichtlinearität

Auswirkungen großer Verformungen und Verschiebungen.

Material-Nichtlinearität

Plastische Verformung und Beschädigung des Verbundwerkstoffs.

Kontakt-Nichtlinearität

Oberflächenkontakt und Punkt-zu-Oberflächenkontakt zwischen Bauteilen.

Diese Fähigkeiten ermöglichen die realistische Simulation von Strukturen wie Federungssystemen und Akkupacks.

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NVH-Analyse mit Simcenter Nastran

NVH bedeutet Lärm, Vibrationen und RauheitDie
Es ist eine der wichtigsten Ingenieursaufgaben bei der Fahrzeugkonstruktion.

Simcenter Nastran beinhaltet mehrere Solver-Sequenzen für die Strukturdynamik.

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Modalanalyse — SOL 103

Die Modalanalyse ermittelt die Eigenfrequenzen und Schwingungsformen von Strukturen.

Ingenieure nutzen diese Ergebnisse, um Resonanzen mit folgenden Elementen zu vermeiden:

• Motorvibrationen
• Frequenzen von Elektromotoren
• Anregungen des Antriebsstrangs.

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Frequenzganganalyse — SOL 108

Die Frequenzganganalyse berechnet die Schwingungsantwort unter harmonischen Lasten.

Anwendungsgebiete umfassen:

• Fahrzeugkarosserie-Vibrationen
• Antriebsstranganregung
• akustische Übertragungswege.

Es werden sowohl direkte als auch modale Frequenzgangverfahren unterstützt.

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Transiente dynamische Analyse — SOL 111

Die transiente Analyse berechnet die zeitabhängige Strukturantwort.

Beispiele hierfür sind:

• Straßenaufprallbelastungen
• Vibrationsimpulse
• transiente Strukturkräfte.

Wenn Simulationsmodelle mit Testdaten kalibriert werden, können Modalvorhersagen mit physikalischen Tests übereinstimmen. über 90% KorrelationDie

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Fähigkeit zur Simulation großer Modelle

Moderne Finite-Elemente-Modelle für Gesamtfahrzeuge enthalten oft Millionen oder Dutzende Millionen von ElementenDie

Simcenter Nastran verarbeitet diese Modelle mithilfe verschiedener Rechenmethoden.

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Parallelrechnen

Es stehen zwei Rechenmodi zur Verfügung.

SMP – Parallelspeicher

Mehrere CPU-Kerne teilen sich den Systemspeicher.

DMP – Verteilter Speicher parallel

Mehrere Rechenknoten arbeiten zusammen.

Paralleles Lösen kann die Leistung steigern um 30–50 %Die

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Adaptive Netzverfeinerung

Der Solver passt die Netzfeinheit in Abhängigkeit von der Spannungsverteilung an.

Bereich	Maschendichte
Schweißverbindungen	feines Netz
Bolzenpositionen	feines Netz
Regionen mit geringer Spannung	grobes Netz

Dadurch wird die Genauigkeit erhalten und gleichzeitig die Rechenzeit kontrolliert.

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Modellreduktion

Große Modelle können vor der dynamischen Simulation vereinfacht werden.

Zwei gängige Reduktionsmethoden sind:

Komponentenmodus-Synthese (CMS)
Erhält das dynamische Verhalten von Teilstrukturen.

Guyanische Reduzierung
Entfernt weniger wichtige Freiheitsgrade.

Reduzierte Modelle werden häufig in Mehrkörper-Fahrzeugsimulationen verwendet.

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Anwendungen im Automobilbau

BIW-Struktursimulation

Die Rohkarosserie (BIW) ist die tragende Hauptstruktur eines Fahrzeugs.

Ingenieure analysieren:

• Biegesteifigkeit
• Torsionssteifigkeit
• Modalverhalten
• strukturelle Festigkeit.

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BIW Finite-Elemente-Modellierung

Zu den BIW-Modellen gehören:

• Blechpaneele
• Schweißverbindungen
• Bolzen.

Um Modelle zu vereinfachen:

• Löcher kleiner als 10 mm kann entfernt werden
• Filets kleiner als 7 mm kann vereinfacht werden.

Dadurch werden die Rechenkosten reduziert.

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Steifigkeitsprüfungssimulation

Es werden zwei gängige Steifigkeitsfälle simuliert.

Biegesteifigkeit

Fahrzeugaufbau vertikal in der Mitte beladen.

Torsionssteifigkeit

Die gegenüberliegenden Räder werden während des Anlegens eines Drehmoments fixiert.

Diese Lastfälle simulieren unebene Straßenverhältnisse.

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Beispielhaftes technisches Ergebnis

Im Rahmen eines Entwicklungsprogramms für Kompaktfahrzeuge:

• Die Biegesteifigkeit der Karosserie wurde erhöht 12%
• Körpergewicht reduziert 8%

Die Verbesserung wurde durch Verstärkungsänderungen und den Einsatz von hochfestem Material erzielt.

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Analyse der Fahrwerkshaltbarkeit

Die Fahrwerkskomponenten sind während der Fahrt wiederholten Belastungen ausgesetzt.

Die Ermüdungssimulation prognostiziert die Lebensdauer und identifiziert Schwachstellen.

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Komponenten des Fahrwerksmodells

Typische Federungsmodelle umfassen:

• Querlenker
• Stoßdämpfer
• Stabilisatoren
• Buchsen
• Kugelgelenke.

Buchsen werden mithilfe nichtlinearer Federn modelliert, während Kugelgelenke Scharnierbedingungen verwenden.

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Daten laden

Lasten können stammen von:

• Straßentests
• Mehrkörpersimulationen mit ADAMSDie

Diese Lasten werden auf das Strukturmodell angewendet.

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Nichtlineare Simulation

Der nichtlineare Löser SOL 106 Berechnet Spannungen und Verformungen unter realistischen Belastungsbedingungen.

An Schweißverbindungen treten häufig Spannungskonzentrationen auf.

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Lebensermüdungsprognose

Die Ermüdungslebensdauer wird wie folgt berechnet:

Regel für linearen kumulativen Schaden im Bergbau
kombiniert mit der Material-SN-KurveDie

Dies sagt voraus, wie viele Zyklen ein Bauteil aushalten kann.

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Beispielergebnis

Für einen Querlenker in einer SUV-Konstruktion:

• ursprüngliches Leben: 2 × 10⁵ Zyklen

Nach den Schweißverbesserungen:

• Die Ermüdungslebensdauer wurde erhöht auf 1 × 10⁶ ZyklenDie

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Simulation eines Akkus für Elektrofahrzeuge

Elektrofahrzeuge stellen thermische und strukturelle Herausforderungen dar.

Die Akkus müssen während Vibrationen und Ladezyklen geschützt bleiben.

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Finite-Elemente-Modell des Akkus

Typische Modellkomponenten sind:

• Batteriemodule
• Gehäuse
• Kühlkanäle
• Montagehalterungen.

Batteriemodule verwenden massive Elemente, während Gehäusekonstruktionen häufig Schalenelemente verwenden.

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Thermisch-strukturelle Kopplung

Es werden zwei Lastkategorien angewendet.

Thermische Belastungen

Die beim Laden und Entladen entstehende Wärme.

Mechanische Belastungen

Straßenvibrationen und Stoßkräfte.

Simcenter Nastran berechnet beide Effekte gleichzeitig.

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Beispielhaftes technisches Ergebnis

In einem EV-Simulationsprojekt:

• Die maximale Batterietemperatur wurde reduziert von 52 °C bis 38 °C
• Reduzierung der strukturellen Belastung 25 %

Diese Verbesserung wurde durch Änderungen am Kühlsystem und eine Verstärkung des Gehäuses erzielt.

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CAE-Toolchain-Integration

Simcenter Nastran arbeitet innerhalb einer umfassenderen CAE-Umgebung.

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Vorverarbeitungswerkzeuge

Zu den Werkzeugen zur Modellvorbereitung gehören:

• HyperMesh
• Simcenter 3D
• CAD-Systeme.

Unterstützte Dateiformate sind:

• BDF
• INP
• SCHRITT.

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Nachbearbeitungswerkzeuge

Die Simulationsergebnisse können visualisiert werden mit:

• HyperView
• Simcenter 3D Post
• Tecplot.

Diese Werkzeuge zeigen Spannungsverteilungen, Verschiebungsfelder, Modenformen und Ermüdungsergebnisse an.

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Integration der Mehrkörperdynamik

Die Ergebnisse der Strukturanalysen können in Fahrzeugdynamikmodellen verwendet werden, die in folgenden Programmen erstellt wurden:

• ADAMS
• Simcenter Motion.

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Integration von Steuerungssystemen

Bei der Entwicklung von Elektrofahrzeugen können Strukturmodelle mit integrierten Steuerungsmodellen verbunden werden:

• MATLAB
• Simulink.

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Korrelation testen

Simcenter Nastran verbindet sich mit Simcenter Testlabor um die Simulationsergebnisse mit experimentellen Messungen zu vergleichen.

Dies verbessert die Modellgenauigkeit.

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Branchennutzung

Die Simcenter-Technologie wird von vielen Automobilherstellern eingesetzt.

Beispiele hierfür sind:

Mazda Engineering & Technology

Die Simulationszeit für die Lautsprechergitteranalyse wurde reduziert von 2,5 Tage bis 4 StundenDie

American Axle & Manufacturing

Integrierte NVH-Simulation mit Tests unter Verwendung von Simcenter-Tools.

Hyundai Motor Group

Nutzt Multi-Physik-Simulationen und digitale Zwillingsplattformen bei der Entwicklung von Elektrofahrzeugen.

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Zukünftige Entwicklungen in der Fahrzeugsimulation

Mehrere Technologietrends beeinflussen Simulationswerkzeuge.

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Milliarden Element Fahrzeugmodelle

Zukünftige Fahrzeugsimulationen könnten Hunderte von Millionen oder sogar Milliarden von Elementen enthalten.

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Multi-Physik-Simulation

Fahrzeugmodelle kombinieren zunehmend:

• Strukturmechanik
• thermisches Verhalten
• Flüssigkeitsströmung
• Elektromagnetik.

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KI-gestützte Simulation

Künstliche Intelligenz kann Folgendes automatisieren:

• Modellkalibrierung
• Simulationsaufbau
• Designoptimierung.

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Digitale Zwillingsentwicklung

Digitale Zwillinge verbinden Simulationsmodelle mit realen Betriebsdaten während des gesamten Fahrzeuglebenszyklus.

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Häufig gestellte Fragen

Was unterscheidet Simcenter Nastran von anderen FEA-Solvern, die in der Automobil-CAE eingesetzt werden?

Simcenter Nastran ist bekannt für seine zuverlässigen Struktur- und Dynamikberechnungsalgorithmen, die ursprünglich aus der Luft- und Raumfahrtforschung der NASA entwickelt wurden.

Es unterstützt sowohl lineare als auch nichtlineare Finite-Elemente-Analysen, einschließlich statischer, modaler, Frequenzgang-, Ermüdungs- und Mehrphysik-Simulationen in einer einzigen Umgebung.

Ingenieure erwähnen oft:

• zuverlässige Ergebnisse für große Modelle
• starke NVH-Eigenschaften
• skalierbares paralleles Rechnen
• Integration mit der Simcenter CAE-Plattform.

Aufgrund dieser Eigenschaften wird es häufig in der Karosseriestrukturanalyse, im Fahrwerksbau und in der NVH-Simulation von Antriebssträngen eingesetzt.

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Wie große Modelle kann Simcenter Nastran in vollständigen Fahrzeugsimulationen verarbeiten?

Fahrzeug-Finite-Elemente-Modelle umfassen oft mehr als zehn Millionen Elemente.

Simcenter Nastran verarbeitet diese Modelle über:

• Parallelrechnen mit SMP und DMP
• effiziente Löser für dünnbesetzte Matrizen
• Modellreduktionstechniken wie CMS.

Die Hardwarekonfiguration, die Solver-Einstellungen und die Strategie zur Modellreduktion beeinflussen die Leistung.

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Welche Automobilsimulationen werden am häufigsten mit Simcenter Nastran durchgeführt?

Ingenieure nutzen den Solver häufig für verschiedene Aufgaben der Fahrzeugentwicklung.

Strukturanalyse der Karosserie:

• Steifheit
• Modalanalyse
• strukturelle Festigkeit

NVH-Analyse:

• Modalfrequenzen
• Schwingungsverhalten
• Transferpfadanalyse

Dauerhaftigkeitsanalyse:

• Vorhersage der Ermüdungslebensdauer
• strukturelle Zuverlässigkeit

Fahrwerksleistung:

• Federungsverformung
• Lastverteilung

Elektrofahrzeuge:

• strukturelle Sicherheit des Akkus
• thermisch-strukturelle Kopplung.

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Wie integriert sich Simcenter Nastran in die CAE-Toolchain für die Automobilindustrie?

Simcenter Nastran fungiert typischerweise als zentraler Solver innerhalb einer Entwicklungsumgebung mit mehreren Tools.

Zu den Vorverarbeitungswerkzeugen gehören HyperMesh, Simcenter 3D und CAD-Systeme.

Zu den Nachbearbeitungswerkzeugen gehören HyperView und Simcenter 3D Post.

Zu den Systemsimulationswerkzeugen gehören beispielsweise ADAMS, Simcenter Motion, MATLAB, Simulink und CFD-Software wie STAR-CCM+.

Diese Umgebung unterstützt vollständige digitale Entwicklungsabläufe.

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Welche häufigen Herausforderungen treten bei der Verwendung von Simcenter Nastran auf?

Ingenieure berichten häufig von mehreren praktischen Problemen.

Probleme mit der Netzqualität:

• verzerrte Elemente
• uneinheitliche Maschenweite.

Materialdatenprobleme:

• fehlende Ermüdungskurven
• unvollständige Temperatureigenschaften.

Probleme mit der Solver-Konfiguration:

• falsche Lösungsauswahl
• Unzureichender Speicherplatz
• Fehler in der Ergebnisdatei, z. B. Probleme mit der *.f06-Ausgabe.

Genaue Randbedingungen und Materialdaten sind für zuverlässige Simulationsergebnisse unerlässlich.

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Autor

Johnny Liu
CEO — Dowway Vehicle

Johnny Liu arbeitet im Bereich Fahrzeugentwicklung und CAE-Technologieentwicklung. Sein Arbeitsschwerpunkt liegt auf simulationsgestützter Konstruktion, digitalen Entwicklungsabläufen und fortschrittlichen Fahrzeugentwicklungsmethoden.