你是否也在面對這樣的挑戰？

產品不只是結構件，既要“能動”，還要“能感知環境”；既要承受結構受力，還要應對流體流動或顆粒作用…

在產品研發周期不斷縮短的今天，如何同時搞定結構?流體?熱?電磁?控制系統的復雜協同、完成設計驗證，并能夠更真實地還原工況、更全面地評估性能，成為了許多工程研發團隊關注的重點。作為計算智能領域的全球領導者之一，Altair 的多物理場仿真平臺可以一站式提供一整套覆蓋結構、流體、熱、電磁、動力學等多物理場的仿真工具，高效模擬產品在真實環境中的運行表現，并通過 AI 驅動 + HPC 加速 + 數值優化，實現更快、更準、更低成本的工程決策支持。

在結束不久的 2025 區域技術交流會上，Altair 技術總監趙陽從實際應用場景出發，系統地介紹了多物理場仿真的方法、工具和案例。下面讓我們一起回顧：Altair 是如何通過一體化仿真平臺，助力企業打通設計與驗證的壁壘吧！

1.多學科集成仿真，從一個裝載機說起

裝載機的工作過程其實是一個非常典型的多學科耦合場景，涉及：

• 復雜的機構運動和動力學過程；
• 受載結構的剛度、強度與疲勞性能分析；
• 環境中散料（顆粒）造成的外部載荷影響；
• 電液控制系統的聯合設計與驗證。

過去我們做仿真時，會把這些問題“拆開做”：先估算載荷，再做機構仿真，然后進行結構分析。但這并不能完整地還原實際運行中的交互關系。

在 Altair 的平臺中，這些環節不再割裂，而是可以實現真實工況下的整體建模與聯動分析。

模擬真實散料載荷的機電液聯合更真實的系統仿真

精彩回放限時上線

Altair 近期分別于北京、上海、成都、深圳舉辦了以“AI 驅動，仿真未來”為主題的2025 Altair 區域技術交流會。四場會議匯聚不同行業的專家與先鋒企業高管們，共同探討仿真+AI 技術賦能工業設計研發創新，分享最新仿真與 AI 技術的應用實踐經驗。

在此，我們將這四場會議的精彩演講進行限時回放，分享給未能到場或意猶未盡的用戶朋友們，精彩內容即將上線，歡迎提前預約觀看席位！

立即報名

2.機械系統仿真：從單體運動到核心部件建模

我們都很熟悉傳統的運動仿真，為了實現更好的仿真實踐，運動中有很重要的兩點：軸承和齒輪。每個旋轉機械，都有軸承。傳動一般為液壓傳動、齒輪傳動或機械傳動。這兩個部件，既是承載的、又是受載的。如何進行精準的分析，需要好的工具。在最新的Altair MotionSolve 模塊中，提供了機械工具箱功能，專門來應對這兩個專業核心部件的建模工程，其中包括：

• 軸承建模：支持四類典型軸承類型（如圓柱滾子、深溝球、球鉸等），涵蓋大多數工業應用；
• 齒輪系統：支持外嚙合、內嚙合以及行星齒輪系統，配合 3D 接觸功能，可實現真實齒面載荷與強度計算；
• 履帶系統：針對工程機械中常見的履帶式底盤，Altair 提供了向導式建模工具，能快速生成包含張緊輪、跺輪、鏈輪等組件的完整履帶模型，并支持地面接觸與仿真。

這些工具為后續多體仿真提供了更加真實可靠的建模基礎。

機械工具箱的常用功能

3.車輛系統仿真，標準化建模更高效

再回到車輛本身，Altair 的車輛建模系統是早期就在MotionView 中包含的模塊，包括乘用車、商用車、電動車、摩托車和三輪車在內的8類車輛模型模板，并搭配46個標準工況場景，覆蓋絕大部分日常分析需求。

常見分析功能包括：

• 剛度/強度/疲勞/耐久性分析；
• 高速運動下的操控性與穩定性；
• 自動駕駛、緊急剎車（AEB）等控制系統仿真；
• 子系統（如懸架、轉向）開發；
• 特殊車型（如三輪車、電瓶車、履帶車）分析。

這些功能不僅支持剛度、強度、疲勞、操控性、舒適性等全流程驗證，對于軟土、履帶系統等特殊路況，也能輕松實現仿真分析。還可自動生成報告，真正實現從“建模 → 分析 → 輸出”的閉環仿真流程。

車輛系統仿真常見功能

4.散體顆粒仿真：從工程機械到農業收割

接下來我們講講散料跟外部的環境載荷。顆粒（離散元）是自然界中極為常見的一類物質，廣泛出現在工程、農業、汽車等多個行業。離散元技術主要是用來分析顆粒之間或者顆粒與設備之間的運動關系，包含的場景有顆粒輸送、混合篩選、擠壓破碎以及設備的磨損等，同時還包括顆粒作業時候的載荷、作業的效率等各方面的評估。

Altair EDEM 離散元求解器是在全球范圍內經過大量工程驗證、非常成熟和先進的軟件，內嵌豐富的多球體、多面體模型及經過工程驗證的豐富的材料庫。

在散料分析中，材料標定是一個很重要的繁瑣的工作。EDEM 自帶的材料庫可以滿足多種類型的接觸，并處與多種設備交互的不同應用場景，例如和結構、電磁場、流場等，因此需要通過多物理場集成。

EDEM 專為此類問題設計，功能包括：

• 多種顆粒形狀建模（多面體、多球體）；
• 豐富的材料庫與接觸模型；
• 支持 GPU 加速；
• 支持與結構、電磁、流體等仿真工具耦合。

常見應用場景包括：

• 工程機械中的裝載、鏟斗磨損與效率評估；
• 農業機械中的割草、脫粒、谷物烘干、施肥仿真；
• 汽車應用中的戈壁石擊、涉水側翻、積雪堆積等；
• 自卸車、收割機、推土機等設備的作業過程建模。

EDEM 是一個開放的軟件，還可通過開放接口支持用戶自定義模型，同時與 Altair 自有及其他主流仿真平臺進行耦合仿真。

顆粒系統、多體系統的相互作用

5.結構仿真：從線性優化到，復雜非線性與聲學分析

5.1Altair OptiStruct：從優化起步，到全功能結構求解器

OptiStruct 最早在 1990 年代就開始研發，名字大家可能一看就能猜到，是以結構優化為導向的求解器。最開始是做線性靜力學和結構優化的，后來慢慢發展，加入了 NVH（噪聲與振動）相關功能，包括模態分析、頻響、隨機振動等。

隨著這些功能逐步強化，國內很多車企已經逐漸用 OptiStruct 來做結構動力學相關的仿真了。

2010 年之后，我們持續增強了它的非線性功能。因為在實際應用中，大多數工程場景都會涉及非線性問題，比如：

• 材料非線性；
• 大變形；
• 接觸分析等。

另外，我們還支持一些特殊的分析需求，比如后屈曲分析、剎車異響分析、疲勞分析以及熱場分析等等。

經歷了近 20~30 年的發展，OptiStruct 已經變成了一個非常完整的、全功能的結構求解器。而且它也配合我們 Altair 的 One Solver 戰略目標——我們希望未來更多的結構仿真功能都能統一集成到 OptiStruct 中。

? 優勢1、精度對標與行業應用

基于 OptiStruct，我們還開發了兩個行業專家系統：NVHD 和 SNRD。

• NVHD：用于車輛 NVH（噪聲與振動）全流程開發；
• SNRD：用于識別設備結構的異響問題。

這兩個系統與求解器結合，大大提升了用戶在實際使用時的效率。

同時，我們還開發了很多關于內聲場分析的功能，比如：

• 如何讓乘客聽到的噪聲更小；
• 如何通過聲學分析進行診斷。

此外，我們也擴展到了外聲場仿真，比如：

• 發動機震動時，站在車外會聽到多少噪聲；
• 外部噪聲的傳播規律等。

目前，我們支持四種外聲場分析方法：

1. 等效輻射功率法（適合簡單場景）；
2. 瑞利法（適用于有邊界問題）；
3. 無限元法（大場景傳播）；
4. 自適應匹配層法（用于不同區域聲阻分析）。

? 優勢2、非線性能力完善，支持多類實際工況

OptiStruct 的隱式非線性功能已經非常全面，主要包括：

• 材料非線性：彈塑性、超彈性、粘彈性、蠕變材料；
• 幾何非線性：大變形、后屈曲（加入 Riks 算法）；
• 接觸非線性：點-點、點-面、面-面，小滑移、大滑移、連續滑移，初始穿透等多種接觸類型。

在應用方面，比如在汽車行業的車身分析中，OptiStruct 能夠進行很多剛強度的校核，比如：

• 車頂壓潰強度；
• 副車架強度；
• 車門和翼子板的抗凹陷分析等。

? 優勢3、客戶對標驗證，精度可靠

很多客戶在用新求解器時，都會有疑問：精度怎么樣？和主流工具比對結果如何？

我們跟客戶一起做了不少對比，比如：

• 機艙蓋抗凹；
• 拖車鉤強度；
• 千斤頂加載點剛度；
• 車門外擺抗凹回彈性能等。

這些工況下，OptiStruct 和行業主流工具的結果非常接近，通常變形和應力范圍誤差在 5% 以內，有的場景只有 1%~2%。比如拖車鉤安裝支架強度分析，可以看到結果分別是 457和 459，基本處于一致范圍。

OptiStruct求解器非線性功能在工程領域與其他求解軟件的應用對比

? 工程效率提升功能

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

多樣本分析：實際試驗時會有制造和裝配誤差，如果只用標準模型來比試驗結果，可能對不上。所以我們提供了“多樣本分析”功能：把誤差考慮進來后，仿真輸出的是一個結果區間。只要試驗結果落在這個區間內，就說明仿真是可信的，解決了“標準仿真對不上試驗”的問題。

全局-局部子模型分析：對于一個大的結構模型，我們可以在關注區域使用細網格，其他區域用粗網格，這樣既保證了局部精度，也節省了計算資源。

循環對稱分析：適合用于旋轉對稱結構，比如渦輪機械。只建一個角度段，加循環邊界條件，就能節省模型規模。

磨損預測功能：我們加入了磨損計算模型，通過工況和應力場計算結構磨損量。特別適合鏟斗、接觸輪、支撐件等長期磨損部位。

多樣本分析-隨機性研究

? 電熱力實時耦合分析能力上線

我們也正在強化電-熱-力的實時耦合分析功能：

• 通電之后會產生焦耳熱，進而引起材料熱脹冷縮；
• 通過熱邊界計算熱應力，再進一步算結構響應；
• 還可以做電流路徑優化、充電均勻性、能耗優化等目標。

5.2Radioss：高速動態與碰撞仿真的專家工具

另一個結構求解器是 Radioss。它是一個非常老牌的求解器，也是 Altair 發展時間最長的一個求解器,應用領域是高速動態響應，例如：

• 碰撞仿真；
• 安全仿真；
• 動態載荷沖擊等；
• 以及一些大變形分析。

目前 Radioss 在行業中的應用非常廣泛，尤其是在汽車被動安全仿真方面應用最多。

它支持從整車碰撞分析，到乘員系統的建模（安全帶、氣囊、假人模型等），并且配合各種法規進行碰撞評分。用戶可以根據評分標準進行快速驗證，還能進行優化設計。

碰撞大規模計算仿真

? 應用1、工程機械仿真：內置 ROPS 分析流程

在 Radioss 中，我們還構建了工程機械相關的分析流程工具箱。比如 ROPS 工具箱，主要是分析工程機械在滾翻保護結構下的表現。

用戶只需要選中車體結構，就可以自動加載三種 ROPS 工況：

• 頂面沖擊；
• 后部沖擊；
• 側面沖擊。

此外還可以自動設置重力、接觸、加載方向，自動構建仿真模型并輸出結果。

? 應用2、消費電子仿真：多角度跌落建模工具

在消費電子行業中，Radioss 也得到了廣泛應用，尤其是在電子設備跌落測試中。

我們開發了一個多次跌落建模工具，用戶可以一鍵設置：

• 跌落角度；
• 接觸面；
• 重力方向；
• 初始速度。

通過這個插件，用戶可以快速生成多個不同跌落姿態的仿真模型，支持批量仿真。

? 應用3、模型兼容與開源支持

Radioss 也支持 Dyna 模型的兼容轉換，可以無縫導入模型。此外，Radioss 的開源版本已經發布，用戶可以訪問源碼，進行二次開發或學術研究，非常適合高校與科研單位。

6.流體仿真：從細節模擬到系統級耦合

Altair 也提供完整的流體仿真方案，涵蓋從系統級建模到 CFD 細節分析的全過程。 

我們可以劃分為以下幾類：

? 應用1、通用流體仿真

這是最常見的 CFD 分析，如內部流動、外部氣動等，在 Altair 中通過：

• HyperMesh CFD 進行前處理建模；
• AcuSolve 進行求解。

我們支持各種網格類型、邊界條件、湍流模型、熱流模型等，滿足工程上大部分常規流動模擬需求。

? 應用2、車輛氣動與風噪分析

在汽車行業，整車空氣動力學和氣動噪聲是兩個重要研究方向。

我們可以對整車進行外部氣流仿真，并在此基礎上預測：

• 風阻系數；
• 升力、下壓力分布；
• 以及風噪聲源和傳播路徑。

這些分析可以幫助整車設計優化氣動性能、控制噪聲。

? 應用3、涉水、潤滑等特殊場景仿真

在潤滑油、液體晃動、車輛涉水等特殊工況下，我們也可以提供一整套仿真能力，包括：

• 油箱晃動仿真：結合結構與流體，考慮結構響應；
• 涉水分析：仿真輪胎在涉水時形成水墻的過程；
• 潤滑油甩油分析：用于齒輪箱、發動機等；
• 液體波動仿真：比如罐車在轉彎或制動時，液體的沖擊壓力。

? 應用4、電子散熱與電熱耦合分析

電子設備和新能源車都非常關注散熱問題。我們可以進行：

• 芯片散熱仿真；
• 整車熱管理仿真；
• 車燈熱仿真；
• 電池模組熱仿真等。

同時支持結構耦合，評估熱應力引起的變形與材料疲勞。

? 應用5、系統級流體仿真

除了詳細 CFD 分析外，我們也支持系統級建模方式，如一維系統建模和異維建模。

 可以用于：

• 整車熱管理系統建模；
• 冷卻系統中冷卻液流速分布；
• 散熱器、水泵、風扇等設備之間的系統響應仿真。

這類仿真尤其適合初期設計階段，幫助快速評估系統設計是否合理。

? 應用6、多物理場耦合能力

Altair 的一大優勢是支持多物理場耦合，例如：

• 流固耦合：液體對結構載荷的影響；
• 電熱耦合：電流引起溫升，進而引起熱脹冷縮與熱應力；
• 熱流耦合：熱傳導與空氣對流協同分析。

這類耦合能力幫助用戶更貼近真實物理工況。

7.One Solver 戰略與平臺整合

Altair 近年來正在持續推進 “One Solver” 戰略。目標是：

在一個統一平臺下，整合結構、流體、動力學、熱、電磁等多個求解能力，避免用戶在多個軟件間切換。為此我們做了很多努力，比如：

• 在 OptiStruct 中內建顯式非線性模塊，減少對 Radioss 封裝的依賴；
• 多個求解器統一數據格式；
• SimLab 平臺可以同時調用多個求解器進行耦合；
• 建立流程化工具箱，簡化行業用戶上手門檻。

希望未來無論你是在做結構、流體、電磁還是耦合仿真，都能在同一個平臺上完成，從而大大提升建模效率、仿真一致性和結果可追溯性。

我們也將持續打磨求解器功能，推出更多工程化流程工具箱，提升仿真效率，助力企業更快、更準地完成產品設計與驗證。

感謝大家的聆聽。如果今天的內容對你有所啟發，或者你也在實際工作中遇到類似的多物理場仿真需求，歡迎申請試用或與我們進一步交流！

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