行业分享丨从装载机到电动车，多学科求解器平台如何拓展仿真边界

你是否也在面对这样的挑战？

产品不只是结构件，既要“能动”，还要“能感知环境”；既要承受结构受力，还要应对流体流动或颗粒作用…

在产品研发周期不断缩短的今天，如何同时搞定结构‑流体‑热‑电磁‑控制系统的复杂协同、完成设计验证，并能够更真实地还原工况、更全面地评估性能，成为了许多工程研发团队关注的重点。作为计算智能领域的全球领导者之一，Altair 的多物理场仿真平台可以一站式提供一整套覆盖结构、流体、热、电磁、动力学等多物理场的仿真工具，高效模拟产品在真实环境中的运行表现，并通过 AI 驱动 + HPC 加速 + 数值优化，实现更快、更准、更低成本的工程决策支持。

在结束不久的 2025 区域技术交流会上，Altair 技术总监赵阳从实际应用场景出发，系统地介绍了多物理场仿真的方法、工具和案例。下面让我们一起回顾：Altair 是如何通过一体化仿真平台，助力企业打通设计与验证的壁垒吧！

1.多学科集成仿真，从一个装载机说起

装载机的工作过程其实是一个非常典型的多学科耦合场景，涉及：

• 复杂的机构运动和动力学过程；
• 受载结构的刚度、强度与疲劳性能分析；
• 环境中散料（颗粒）造成的外部载荷影响；
• 电液控制系统的联合设计与验证。

过去我们做仿真时，会把这些问题“拆开做”：先估算载荷，再做机构仿真，然后进行结构分析。但这并不能完整地还原实际运行中的交互关系。

在 Altair 的平台中，这些环节不再割裂，而是可以实现真实工况下的整体建模与联动分析。

模拟真实散料载荷的机电液联合更真实的系统仿真

精彩回放限时上线

Altair 近期分别于北京、上海、成都、深圳举办了以“AI 驱动，仿真未来”为主题的2025 Altair 区域技术交流会。四场会议汇聚不同行业的专家与先锋企业高管们，共同探讨仿真+AI 技术赋能工业设计研发创新，分享最新仿真与 AI 技术的应用实践经验。

在此，我们将这四场会议的精彩演讲进行限时回放，分享给未能到场或意犹未尽的用户朋友们，精彩内容即将上线，欢迎提前预约观看席位！

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2.机械系统仿真：从单体运动到核心部件建模

我们都很熟悉传统的运动仿真，为了实现更好的仿真实践，运动中有很重要的两点：轴承和齿轮。每个旋转机械，都有轴承。传动一般为液压传动、齿轮传动或机械传动。这两个部件，既是承载的、又是受载的。如何进行精准的分析，需要好的工具。在最新的Altair MotionSolve 模块中，提供了机械工具箱功能，专门来应对这两个专业核心部件的建模工程，其中包括：

• 轴承建模：支持四类典型轴承类型（如圆柱滚子、深沟球、球铰等），涵盖大多数工业应用；
• 齿轮系统：支持外啮合、内啮合以及行星齿轮系统，配合 3D 接触功能，可实现真实齿面载荷与强度计算；
• 履带系统：针对工程机械中常见的履带式底盘，Altair 提供了向导式建模工具，能快速生成包含张紧轮、跺轮、链轮等组件的完整履带模型，并支持地面接触与仿真。

这些工具为后续多体仿真提供了更加真实可靠的建模基础。

机械工具箱的常用功能

3.车辆系统仿真，标准化建模更高效

再回到车辆本身，Altair 的车辆建模系统是早期就在MotionView 中包含的模块，包括乘用车、商用车、电动车、摩托车和三轮车在内的8类车辆模型模板，并搭配46个标准工况场景，覆盖绝大部分日常分析需求。

常见分析功能包括：

• 刚度/强度/疲劳/耐久性分析；
• 高速运动下的操控性与稳定性；
• 自动驾驶、紧急刹车（AEB）等控制系统仿真；
• 子系统（如悬架、转向）开发；
• 特殊车型（如三轮车、电瓶车、履带车）分析。

这些功能不仅支持刚度、强度、疲劳、操控性、舒适性等全流程验证，对于软土、履带系统等特殊路况，也能轻松实现仿真分析。还可自动生成报告，真正实现从“建模 → 分析 → 输出”的闭环仿真流程。

车辆系统仿真常见功能

4.散体颗粒仿真：从工程机械到农业收割

接下来我们讲讲散料跟外部的环境载荷。颗粒（离散元）是自然界中极为常见的一类物质，广泛出现在工程、农业、汽车等多个行业。离散元技术主要是用来分析颗粒之间或者颗粒与设备之间的运动关系，包含的场景有颗粒输送、混合筛选、挤压破碎以及设备的磨损等，同时还包括颗粒作业时候的载荷、作业的效率等各方面的评估。

Altair EDEM 离散元求解器是在全球范围内经过大量工程验证、非常成熟和先进的软件，内嵌丰富的多球体、多面体模型及经过工程验证的丰富的材料库。

在散料分析中，材料标定是一个很重要的繁琐的工作。EDEM 自带的材料库可以满足多种类型的接触，并处与多种设备交互的不同应用场景，例如和结构、电磁场、流场等，因此需要通过多物理场集成。

EDEM 专为此类问题设计，功能包括：

• 多种颗粒形状建模（多面体、多球体）；
• 丰富的材料库与接触模型；
• 支持 GPU 加速；
• 支持与结构、电磁、流体等仿真工具耦合。

常见应用场景包括：

• 工程机械中的装载、铲斗磨损与效率评估；
• 农业机械中的割草、脱粒、谷物烘干、施肥仿真；
• 汽车应用中的戈壁石击、涉水侧翻、积雪堆积等；
• 自卸车、收割机、推土机等设备的作业过程建模。

EDEM 是一个开放的软件，还可通过开放接口支持用户自定义模型，同时与 Altair 自有及其他主流仿真平台进行耦合仿真。

颗粒系统、多体系统的相互作用

5.结构仿真：从线性优化到，复杂非线性与声学分析

5.1Altair OptiStruct：从优化起步，到全功能结构求解器

OptiStruct 最早在 1990 年代就开始研发，名字大家可能一看就能猜到，是以结构优化为导向的求解器。最开始是做线性静力学和结构优化的，后来慢慢发展，加入了 NVH（噪声与振动）相关功能，包括模态分析、频响、随机振动等。

随着这些功能逐步强化，国内很多车企已经逐渐用 OptiStruct 来做结构动力学相关的仿真了。

2010 年之后，我们持续增强了它的非线性功能。因为在实际应用中，大多数工程场景都会涉及非线性问题，比如：

• 材料非线性；
• 大变形；
• 接触分析等。

另外，我们还支持一些特殊的分析需求，比如后屈曲分析、刹车异响分析、疲劳分析以及热场分析等等。

经历了近 20~30 年的发展，OptiStruct 已经变成了一个非常完整的、全功能的结构求解器。而且它也配合我们 Altair 的 One Solver 战略目标——我们希望未来更多的结构仿真功能都能统一集成到 OptiStruct 中。

► 优势1、精度对标与行业应用

基于 OptiStruct，我们还开发了两个行业专家系统：NVHD 和 SNRD。

• NVHD：用于车辆 NVH（噪声与振动）全流程开发；
• SNRD：用于识别设备结构的异响问题。

这两个系统与求解器结合，大大提升了用户在实际使用时的效率。

同时，我们还开发了很多关于内声场分析的功能，比如：

• 如何让乘客听到的噪声更小；
• 如何通过声学分析进行诊断。

此外，我们也扩展到了外声场仿真，比如：

• 发动机震动时，站在车外会听到多少噪声；
• 外部噪声的传播规律等。

目前，我们支持四种外声场分析方法：

1. 等效辐射功率法（适合简单场景）；
2. 瑞利法（适用于有边界问题）；
3. 无限元法（大场景传播）；
4. 自适应匹配层法（用于不同区域声阻分析）。

► 优势2、非线性能力完善，支持多类实际工况

OptiStruct 的隐式非线性功能已经非常全面，主要包括：

• 材料非线性：弹塑性、超弹性、粘弹性、蠕变材料；
• 几何非线性：大变形、后屈曲（加入 Riks 算法）；
• 接触非线性：点-点、点-面、面-面，小滑移、大滑移、连续滑移，初始穿透等多种接触类型。

在应用方面，比如在汽车行业的车身分析中，OptiStruct 能够进行很多刚强度的校核，比如：

• 车顶压溃强度；
• 副车架强度；
• 车门和翼子板的抗凹陷分析等。

► 优势3、客户对标验证，精度可靠

很多客户在用新求解器时，都会有疑问：精度怎么样？和主流工具比对结果如何？

我们跟客户一起做了不少对比，比如：

• 机舱盖抗凹；
• 拖车钩强度；
• 千斤顶加载点刚度；
• 车门外摆抗凹回弹性能等。

这些工况下，OptiStruct 和行业主流工具的结果非常接近，通常变形和应力范围误差在 5% 以内，有的场景只有 1%~2%。比如拖车钩安装支架强度分析，可以看到结果分别是 457和 459，基本处于一致范围。

OptiStruct求解器非线性功能在工程领域与其他求解软件的应用对比

► 工程效率提升功能

除了功能完整和精度可靠，OptiStruct 还加入了很多方便工程使用的实用能力，比如：

多样本分析：实际试验时会有制造和装配误差，如果只用标准模型来比试验结果，可能对不上。所以我们提供了“多样本分析”功能：把误差考虑进来后，仿真输出的是一个结果区间。只要试验结果落在这个区间内，就说明仿真是可信的，解决了“标准仿真对不上试验”的问题。

全局-局部子模型分析：对于一个大的结构模型，我们可以在关注区域使用细网格，其他区域用粗网格，这样既保证了局部精度，也节省了计算资源。

循环对称分析：适合用于旋转对称结构，比如涡轮机械。只建一个角度段，加循环边界条件，就能节省模型规模。

磨损预测功能：我们加入了磨损计算模型，通过工况和应力场计算结构磨损量。特别适合铲斗、接触轮、支撑件等长期磨损部位。

多样本分析-随机性研究

► 电热力实时耦合分析能力上线

我们也正在强化电-热-力的实时耦合分析功能：

• 通电之后会产生焦耳热，进而引起材料热胀冷缩；
• 通过热边界计算热应力，再进一步算结构响应；
• 还可以做电流路径优化、充电均匀性、能耗优化等目标。

5.2Radioss：高速动态与碰撞仿真的专家工具

另一个结构求解器是 Radioss。它是一个非常老牌的求解器，也是 Altair 发展时间最长的一个求解器,应用领域是高速动态响应，例如：

• 碰撞仿真；
• 安全仿真；
• 动态载荷冲击等；
• 以及一些大变形分析。

目前 Radioss 在行业中的应用非常广泛，尤其是在汽车被动安全仿真方面应用最多。

它支持从整车碰撞分析，到乘员系统的建模（安全带、气囊、假人模型等），并且配合各种法规进行碰撞评分。用户可以根据评分标准进行快速验证，还能进行优化设计。

碰撞大规模计算仿真

► 应用1、工程机械仿真：内置 ROPS 分析流程

在 Radioss 中，我们还构建了工程机械相关的分析流程工具箱。比如 ROPS 工具箱，主要是分析工程机械在滚翻保护结构下的表现。

用户只需要选中车体结构，就可以自动加载三种 ROPS 工况：

• 顶面冲击；
• 后部冲击；
• 侧面冲击。

此外还可以自动设置重力、接触、加载方向，自动构建仿真模型并输出结果。

► 应用2、消费电子仿真：多角度跌落建模工具

在消费电子行业中，Radioss 也得到了广泛应用，尤其是在电子设备跌落测试中。

我们开发了一个多次跌落建模工具，用户可以一键设置：

• 跌落角度；
• 接触面；
• 重力方向；
• 初始速度。

通过这个插件，用户可以快速生成多个不同跌落姿态的仿真模型，支持批量仿真。

► 应用3、模型兼容与开源支持

Radioss 也支持 Dyna 模型的兼容转换，可以无缝导入模型。此外，Radioss 的开源版本已经发布，用户可以访问源码，进行二次开发或学术研究，非常适合高校与科研单位。

6.流体仿真：从细节模拟到系统级耦合

Altair 也提供完整的流体仿真方案，涵盖从系统级建模到 CFD 细节分析的全过程。 

我们可以划分为以下几类：

► 应用1、通用流体仿真

这是最常见的 CFD 分析，如内部流动、外部气动等，在 Altair 中通过：

• HyperMesh CFD 进行前处理建模；
• AcuSolve 进行求解。

我们支持各种网格类型、边界条件、湍流模型、热流模型等，满足工程上大部分常规流动模拟需求。

► 应用2、车辆气动与风噪分析

在汽车行业，整车空气动力学和气动噪声是两个重要研究方向。

我们可以对整车进行外部气流仿真，并在此基础上预测：

• 风阻系数；
• 升力、下压力分布；
• 以及风噪声源和传播路径。

这些分析可以帮助整车设计优化气动性能、控制噪声。

► 应用3、涉水、润滑等特殊场景仿真

在润滑油、液体晃动、车辆涉水等特殊工况下，我们也可以提供一整套仿真能力，包括：

• 油箱晃动仿真：结合结构与流体，考虑结构响应；
• 涉水分析：仿真轮胎在涉水时形成水墙的过程；
• 润滑油甩油分析：用于齿轮箱、发动机等；
• 液体波动仿真：比如罐车在转弯或制动时，液体的冲击压力。

► 应用4、电子散热与电热耦合分析

电子设备和新能源车都非常关注散热问题。我们可以进行：

• 芯片散热仿真；
• 整车热管理仿真；
• 车灯热仿真；
• 电池模组热仿真等。

同时支持结构耦合，评估热应力引起的变形与材料疲劳。

► 应用5、系统级流体仿真

除了详细 CFD 分析外，我们也支持系统级建模方式，如一维系统建模和异维建模。

 可以用于：

• 整车热管理系统建模；
• 冷却系统中冷却液流速分布；
• 散热器、水泵、风扇等设备之间的系统响应仿真。

这类仿真尤其适合初期设计阶段，帮助快速评估系统设计是否合理。

► 应用6、多物理场耦合能力

Altair 的一大优势是支持多物理场耦合，例如：

• 流固耦合：液体对结构载荷的影响；
• 电热耦合：电流引起温升，进而引起热胀冷缩与热应力；
• 热流耦合：热传导与空气对流协同分析。

这类耦合能力帮助用户更贴近真实物理工况。

7.One Solver 战略与平台整合

Altair 近年来正在持续推进 “One Solver” 战略。目标是：

在一个统一平台下，整合结构、流体、动力学、热、电磁等多个求解能力，避免用户在多个软件间切换。为此我们做了很多努力，比如：

• 在 OptiStruct 中内建显式非线性模块，减少对 Radioss 封装的依赖；
• 多个求解器统一数据格式；
• SimLab 平台可以同时调用多个求解器进行耦合；
• 建立流程化工具箱，简化行业用户上手门槛。

希望未来无论你是在做结构、流体、电磁还是耦合仿真，都能在同一个平台上完成，从而大大提升建模效率、仿真一致性和结果可追溯性。

我们也将持续打磨求解器功能，推出更多工程化流程工具箱，提升仿真效率，助力企业更快、更准地完成产品设计与验证。

感谢大家的聆听。如果今天的内容对你有所启发，或者你也在实际工作中遇到类似的多物理场仿真需求，欢迎申请试用或与我们进一步交流！

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关于 Altair 澳汰尔

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近期，Altair被全球工业软件领导者西门子收购，成为西门子数字化工业软件(Siemens Digital Industries Software)旗下成员，进一步巩固西门子在仿真和工业人工智能领域的全球领导者地位，其技术正与西门子Xcelerator解决方案进行深度整合。

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