著者： ジョニー・リュー
CEO — ダウウェイ・ビークル
最終更新日: 2026年3月
簡単な回答
Simcenter Nastranは、自動車工学において構造強度、剛性、振動挙動、疲労寿命、電気自動車用バッテリーの安全性などを評価するために使用される有限要素解析ソルバーです。このソルバーは線形解析と非線形解析の両方をサポートし、数百万個の要素を持つ非常に大規模なモデルを処理でき、車両設計およびシミュレーションに使用されるCAEツールと連携します。
自動車工学において有限要素ソルバーが重要な理由
車両開発はコンピュータシミュレーションに大きく依存している。エンジニアは、物理的なプロトタイプを作成する前に、CAEツールを使用して構造の安全性、振動性能、耐久性を確認する。
一般的なシミュレーションワークフローでは：
| ステージ | 道具 |
| 幾何学設計 | CAD |
| モデルの準備 | HyperMesh / Simcenter 3D |
| 構造的解決 | シムセンター・ナストラン |
| 結果の可視化 | HyperView / Simcenter Post |
| エンジニアリング最適化 | デザインツール |
ソルバーは、有限要素モデルによって生成された構造方程式を計算します。
ソルバーがなければ、シミュレーション結果は生成できません。
Simcenter Nastranとは何ですか？
Simcenter Nastranは、NASAのオリジナルNASTRAN技術を基に開発された構造シミュレーションソルバーです。
このソフトウェアは現在、シーメンス Simcenter エンジニアリングプラットフォームの一部となっており、以下の分野で広く使用されています。
- 航空宇宙工学
- 自動車デザイン
- 重機
- エネルギーシステム
自動車工学において、ソルバーは一般的に以下の解析に使用されます。
- 車体構造
- シャーシシステム
- 振動と騒音
- 電気自動車用バッテリーシステム
このソフトウェアは、大規模な構造モデルを解く際の数値的な安定性と信頼性の高い結果で高く評価されている。
コアソルバー機能
線形構造解析
線形解析では以下を評価します。
- 剛性
- ストレス
- 変形
Simcenter Nastranは、疎行列解法技術を使用しています。 MUMPSソルバー。
大型車両構造は、予測誤差を約 1 以内に抑えながら効率的に解決できます。 身体検査と比較して5％。
非線形構造解析
車両構造はしばしば非線形挙動を示す。
Simcenter Nastranは、主に3つの非線形カテゴリをサポートしています。
幾何学的非線形性
大きな変形と変位の影響。
材料の非線形性
塑性変形と複合材料の損傷。
接触非線形性
部品間の面接触と点接触。
これらの機能により、サスペンションシステムやバッテリーパックなどの構造物をリアルにシミュレーションすることが可能になります。
Simcenter Nastranを使用したNVH解析
NVHとは 騒音、振動、および不快感。
これは車両設計における主要な技術課題の一つである。
Simcenter Nastranには、構造力学解析のための複数のソルバーシーケンスが含まれています。
モーダル解析 — SOL 103
モーダル解析は、構造物の固有振動数と振動モードを決定する。
エンジニアはこれらの結果を利用して、以下の共振を回避します。
- エンジンの振動
- 電動モーターの周波数
- 駆動系励振。
周波数応答解析 — SOL 108
周波数応答解析は、調和荷重下での振動応答を計算する。
用途例：
- 車体振動
- パワートレイン励起
- 音響伝達経路。
直接周波数応答法とモード周波数応答法の両方がサポートされています。
過渡動的解析 — SOL 111
過渡解析は、時間依存的な構造応答を計算する。
例としては以下のようなものがあります。
- 道路衝撃荷重
- 振動パルス
- 一時的な構造力。
シミュレーションモデルをテストデータで較正すると、モード予測は物理的なテストと一致させることができます。 90%以上の相関関係。
大規模モデルシミュレーション機能
現代の車両全体の有限要素モデルには、多くの場合、 数百万または数千万の要素。
Simcenter Nastranは、複数の計算手法を用いてこれらのモデルを処理します。
並列コンピューティング
2つの計算モードが利用可能です。
SMP — 共有メモリ並列処理
複数のCPUコアがシステムメモリを共有する。
DMP — 分散メモリ並列処理
複数の計算ノードが連携して動作する。
並列ソルビングは、以下の方法でパフォーマンスを向上させることができます。 30～50％。
適応型メッシュ細分化
ソルバーは、応力分布に応じてメッシュ密度を調整します。
| エリア | メッシュ密度 |
| 溶接継手 | 細かいメッシュ |
| ボルトの位置 | 精緻なメッシュ |
| 低ストレス領域 | 粗いメッシュ |
これにより、計算時間を制御しながら精度を維持できます。
モデル縮小
大規模モデルは、動的シミュレーションを行う前に簡略化される場合がある。
一般的な削減方法は2つあります。
コンポーネントモード合成（CMS）
下部構造の動的挙動を維持する。
ガイアナ削減
重要度の低い自由度を排除する。
縮小モデルは、マルチボディ車両シミュレーションで一般的に使用される。
自動車工学応用
BIW構造シミュレーション
車体（BIW）とは、車両の主要な荷重支持構造のことである。
エンジニアは以下を分析する：
- 曲げ剛性
- ねじり剛性
- モード性能
- 構造的な強度。
BIW有限要素モデリング
BIWモデルには以下が含まれます。
- 板金パネル
- 溶接接続
- ボルト。
モデルを簡素化するには：
- 穴が小さい 10 mm 削除される可能性があります
- フィレのサイズが 7 mm 簡略化できる可能性があります。
これにより計算コストが削減されます。
剛性試験シミュレーション
2つの一般的な剛性ケースをシミュレーションする。
曲げ剛性
車両本体は中央部で垂直に荷重がかけられている。
ねじり剛性
トルクが加えられている間、反対側の車輪は拘束されている。
これらの荷重ケースは、路面の凹凸をシミュレートしたものです。
エンジニアリング成果の例
ある小型車開発プログラムでは、
- BIWの曲げ剛性が増加した 12%
- 体重が減少した 8%
改良点は、補強材の変更と高強度材料への置き換えによるものだった。
サスペンションの耐久性分析
サスペンション部品は、走行中に繰り返し負荷を受ける。
疲労シミュレーションは、耐用年数を予測し、弱点を特定する。
サスペンションモデルコンポーネント
一般的なサスペンションモデルには以下が含まれます。
- コントロールアーム
- ショックアブソーバー
- スタビライザーバー
- ブッシング
- ボールジョイント。
ブッシングは非線形バネを用いてモデル化され、ボールジョイントはヒンジ拘束を用いてモデル化される。
データの読み込み
負荷は以下から発生する可能性があります。
- ロードテスト
- マルチボディシミュレーション アダムス。
これらの荷重は構造モデルに適用されます。
非線形シミュレーション
非線形ソルバー SOL 106 現実的な荷重条件下における応力と変形を計算します。
応力集中は溶接部でよく発生する。
疲労寿命予測
疲労寿命は以下を用いて計算されます。
マイナー線形累積損害ルール
と組み合わせると 材料SN曲線。
これは、部品が耐えられるサイクル数を予測するものです。
結果例
SUV設計におけるサスペンションアームの場合：
- 最初の生命： 2 × 10⁵サイクル
溶接改良後：
- 疲労寿命は増加し、 1 × 10⁶サイクル。
電気自動車用バッテリーパックのシミュレーション
電気自動車は、熱面および構造面で様々な課題をもたらす。
バッテリーパックは、振動時および充電サイクル中も安全な状態を維持しなければならない。
バッテリーパックの有限要素モデル
典型的なモデル構成要素は以下のとおりです。
- バッテリーモジュール
- パックハウジング
- 冷却チャネル
- 取り付けブラケット。
バッテリーモジュールは固体要素を使用するのに対し、筐体構造はシェル要素を使用することが多い。
熱構造連成
2つの負荷区分が適用されます。
熱負荷
充電時および放電時に発生する熱。
機械的負荷
路面の振動と衝撃力。
Simcenter Nastranは、両方の効果を同時に計算します。
エンジニアリング成果の例
あるEVシミュレーションプロジェクトでは：
- バッテリーの最大温度が低減 52℃～38℃
- 構造応力が軽減 25%
この改善は、冷却システムのレイアウト変更と筐体の補強によるものです。
CAEツールチェーン統合
Simcenter Nastranは、より広範なCAE環境内で動作します。
前処理ツール
モデル作成ツールには以下が含まれます。
- ハイパーメッシュ
- Simcenter 3D
- CADシステム。
サポートされているファイル形式は以下のとおりです。
- BDF
- INP
- ステップ。
後処理ツール
シミュレーション結果は、以下の方法で視覚化できます。
- ハイパービュー
- Simcenter 3D 投稿
- Tecplot。
これらのツールは、応力マップ、変位場、モード形状、および疲労解析結果を表示します。
マルチボディダイナミクス統合
構造解析結果は、以下の方法で作成された車両ダイナミクスモデルで使用できます。
- アダムス
- Simcenter Motion。
制御システム統合
電気自動車の開発においては、構造モデルは、以下に組み込まれた制御モデルと接続される可能性がある。
- MATLAB
- シムリンク。
相関関係の検定
Simcenter Nastranは以下と接続します Simcenterテストラボ シミュレーション結果と実験測定値を比較する。
これにより、モデルの精度が向上します。
産業用途
Simcenterの技術は、多くの自動車メーカーで使用されています。
例としては以下のようなものがあります。
マツダエンジニアリング＆テクノロジー
スピーカーグリル解析のシミュレーション時間は短縮され、 2.5日～4時間。
アメリカン・アクスル＆マニュファクチャリング
Simcenterツールを用いたテストと統合されたNVHシミュレーション。
現代自動車グループ
電気自動車の開発において、マルチフィジックスシミュレーションとデジタルツインプラットフォームを活用する。
車両シミュレーションの今後の方向性
いくつかの技術動向がシミュレーションツールに影響を与えている。
10億個の要素を持つ車両モデル
将来の車両シミュレーションには、数億、あるいは数十億もの要素が含まれる可能性がある。
マルチフィジックスシミュレーション
車両モデルはますます以下の要素を組み合わせるようになっている。
- 構造力学
- 熱挙動
- 流体の流れ
- 電磁気学。
AI支援シミュレーション
人工知能は以下のようなことを自動化する可能性がある：
- モデル較正
- シミュレーション設定
- 設計最適化。
デジタルツインエンジニアリング
デジタルツインは、車両のライフサイクル全体を通して、シミュレーションモデルと実際の運用データを連携させる技術です。
よくある質問
Simcenter Nastranは、自動車CAEで使用される他のFEAソルバーと何が違うのでしょうか？
Simcenter Nastranは、NASAの航空宇宙研究から生まれた信頼性の高い構造解析および動力学解析ソルバーアルゴリズムで知られています。
このソフトウェアは、静的解析、モード解析、周波数応答解析、疲労解析、マルチフィジックスシミュレーションなど、線形および非線形有限要素解析の両方を単一の環境でサポートします。
エンジニアはよく次のように述べる。
- 大規模モデルで信頼性の高い結果が得られます
- 優れたNVH性能
- スケーラブルな並列コンピューティング
- Simcenter CAEプラットフォームとの統合。
これらの特徴から、車体構造解析、シャシー設計、パワートレインのNVHシミュレーションにおいて広く用いられている。
Simcenter Nastranは、車両全体のシミュレーションにおいて、どの程度の規模のモデルを処理できますか？
車両の有限要素モデルは、しばしば数千万個を超える要素数を持つ。
Simcenter Nastranは、以下の方法でこれらのモデルを処理します。
- SMPとDMPの並列コンピューティング
- 効率的な疎行列ソルバー
- CMSなどのモデル縮小技術。
ハードウェア構成、ソルバー設定、およびモデル縮小戦略は、パフォーマンスに影響を与える。
Simcenter Nastranで最も一般的に行われる自動車シミュレーションは何ですか？
エンジニアは、車両開発における様々なタスクでこのソルバーを頻繁に利用する。
BIW構造解析：
- 剛性
- モーダル解析
- 構造強度
NVH解析：
- モード周波数
- 振動応答
- 伝達経路解析
耐久性分析：
- 疲労寿命予測
- 構造的信頼性
シャーシ性能：
- サスペンションの変形
- 負荷分散
電気自動車：
- バッテリーパックの構造安全性
- 熱構造連成。
Simcenter Nastranは、自動車CAEツールチェーンとどのように統合されるのですか？
Simcenter Nastranは通常、マルチツールエンジニアリング環境におけるコアソルバーとして機能します。
前処理ツールには、HyperMesh、Simcenter 3D、およびCADシステムが含まれます。
後処理ツールには、HyperViewとSimcenter 3D Postが含まれます。
システムシミュレーションツールには、ADAMS、Simcenter Motion、MATLAB、Simulink、およびSTAR-CCM+などのCFDソフトウェアが含まれる場合があります。
この環境は、完全なデジタルエンジニアリングワークフローをサポートします。
Simcenter Nastranを使用する際によくある課題は何ですか？
エンジニアたちはしばしば、いくつかの実務上の問題点を報告する。
メッシュ品質の問題:
- 歪んだ要素
- メッシュ密度が一定しない。
材料データの問題点：
- 疲労曲線が欠落している
- 温度特性が不完全です。
ソルバーの設定に関する問題：
- ソルバーの選択が間違っています
- ディスク容量が不足しています
- 結果ファイルのエラー、例えば*.f06出力の問題など。
正確な境界条件と材料データは、信頼性の高いシミュレーション結果を得るために不可欠です。
著者
ジョニー・リュー
CEO — ダウウェイ・ビークル
ジョニー・リウは、車両工学およびCAE技術開発の分野で活躍している。彼の研究は、シミュレーション主導型設計、デジタルエンジニアリングワークフロー、および高度な車両開発手法に重点を置いている。
