达索系统Abaqus在航空航天与汽车行业中的工业应用 Abaqus 是一款功能强大的统一有限元分析 (FEA) 软件套件，广泛应用于多个行业，用于模拟复杂的现实世界工程问题。它支持对金属、复合材料、橡胶、混凝土、土壤等材料进行详细建模，以及热传递和声学等多物理场现象的分析。其灵活的单元库和求解器技术使工程师能够在同一工作流程中连接静态、动态、热和耦合分析。波音、空客、NASA 和劳斯莱斯等主要航空航天、国防和汽车公司都依赖 Abaqus 进行设计和验证。通过虚拟仿真性能，可以减少开发时间和昂贵的物理测试，加快创新并确保安全性和认证。

图1：结构有限元模型

Abaqus 广泛应用于结构分析问题，其中组件使用详细的单元网格进行建模。该软件内置的材料模型涵盖了从延性钢到层压复合材料的所有内容，能够真实地模拟弯曲、振动、屈曲和断裂。它在非线性问题方面表现出色，例如大变形金属成型和复合材料失效。

在行业中，工程师使用 Abaqus/Standard 和 Abaqus/Explicit 来计算静态载荷下的应力和应变，预测模态形状和频率，并模拟瞬态事件（如冲击或碰撞）。例如，航空航天公司使用 Abaqus 评估复合材料机翼和机身的逐层应力，模拟空气动力和热载荷下的分层和裂纹扩展，并预测薄壁结构的屈曲行为。通过 Abaqus 的详细结构分析，可以在构建昂贵原型之前及早识别弱点，从而加强或减轻设计（通过优化铺层或拓扑结构）。最终效果是减少开发迭代次数：通过早期发现问题，Abaqus 降低了后期重新设计或认证失败的风险。

航空航天行业用例 在航空航天领域，Abaqus 解决了极端减重和严格安全要求等挑战。典型应用包括：

复合材料结构分析 ：现代飞机大量依赖碳纤维复合材料来减轻重量。Abaqus 可以模拟复合材料的复杂铺层和失效模式。它能计算逐层应力，预测载荷下的分层，并应用失效准则（如 Tsai-Wu、Hashin 等）来捕捉断裂。特殊模块（如 CZone）甚至可以模拟复合能量吸收组件的真实压碎行为。

气动结构载荷分析 ：工程师使用 Abaqus 评估机翼、机身面板和航天器上的静态和动态载荷。例如，可以通过 Abaqus/Explicit 模拟鸟击或旋翼叶片撞击，以确保碰撞场景中的结构完整性。疲劳和损伤容限分析用于预测循环载荷（加压循环、阵风）下的寿命。

热分析与耦合分析 ：涡轮发动机和航天器会经历极高的温度。Abaqus 处理热传递、热应力和流体-结构相互作用（通过协同仿真或耦合求解器），用于分析发动机叶片、热防护系统和电子设备外壳。这种多物理场能力使设计师能够验证材料和结构是否能在防火测试或再入热载荷下不熔化或变形。

声学与振动分析 ：Abaqus 包含声学求解器，可估算座舱噪音和外部声音（如起落架噪音），以及用于颤振和振动的结构动力学工具。这有助于满足噪音认证标准，同时优化结构刚度。

装配与制造分析 ：详细的 Abaqus 模型可模拟复合材料铺层褶皱（以预测皱纹）、固化引起的残余应力以及装配夹具的配合。这些制造模拟可防止大型航空结构中的缺陷，并确保零件正确装配。 常见的航空航天问题包括薄壳意外屈曲、关键接头疲劳开裂和组件热性能不佳。Abaqus 通过虚拟测试帮助解决这些问题：例如，与其建造一个原型机翼并进行破坏性测试，工程师可以构建一个 Abaqus 机翼模型并模拟加载至失效。波音和其他原始设备制造商（OEM）经常运行这些模拟以补充或替代某些风洞和疲劳测试。该软件的准确性和可扩展性允许在多核和集群系统上高效求解非常大的模型（数百万个元素），这对于真实的航空航天结构至关重要。通过在计算机中迭代设计，企业能够更快满足认证要求并降低成本。

图2：Abaqus在航天工业的应用

汽车行业用例在汽车制造业中，Abaqus 被广泛用于车辆安全性、耐久性和性能分析。

关键应用包括：

耐撞性与乘员安全 ：Abaqus/Explicit 广泛用于模拟车辆碰撞（正面、侧面、后面）及其对车身结构和假人的影响。工程师可以对整个白车身、安全气囊和安全带进行建模，以验证乘客的安全性。宝马等汽车制造商已将 Abaqus 作为碰撞仿真的标准平台。使用 Abaqus 中的精确人体假人模型（如 WorldSID），团队可以在设计过程中进行数十次虚拟碰撞测试。这些虚拟测试比构建和碰撞真实原型更快、更便宜，从而实现更快的设计迭代和更安全的车辆。

耐久性与疲劳分析 ：底盘框架、悬架部件和动力总成外壳在其生命周期内会承受数百万次载荷循环。Abaqus 帮助预测裂纹将在何处萌生和扩展。疲劳分析工具可估计部件寿命，因此工程师可以加强部件或更换材料以满足寿命目标而不过度设计。

热与热机械分析 ：冷却系统、制动器和发动机部件需要仔细的热管理。Abaqus 可以模拟制动器和动力总成中的热传递和热弹性应力，以确保部件不会过热。对于电动汽车和混合动力汽车，电池组的热行为也与结构载荷一起进行分析。

声学、NVH 与舒适性 ：对车身面板、发动机支架和排气系统进行建模以预测噪声、振动和粗糙度（NVH）。Abaqus 帮助隔离导致座舱中嗡嗡声或轰鸣声的共振模式。工程师使用声学求解器优化设计以获得更安静的车辆，满足严格的 NVH 标准。

制造与成型分析 ：Abaqus 包含用于钣金成形和冲压工艺的专用求解器。汽车供应商可以模拟车身面板的模具成形和塑料注塑成型以避免皱纹、撕裂和回弹问题。通过在 Abaqus 中优化制造工艺，公司可以减少车间中的试错时间。

材料与轻量化优化 ：为了满足燃油经济性和排放目标，汽车制造商经常在 Abaqus 中使用拓扑优化和复合材料仿真。

下面的幻灯片（来自 SIMULIA 案例研究）展示了典型的涉及动力总成和结构部件的汽车 FEA 工作流程： 图2：使用 Abaqus 的汽车 FEA 工作流程示例（动力总成和车身部件）——分析包括接触（垫圈、螺栓）、非线性热机械耐久性、NVH（噪声/振动）等。

图3：Abaqus在车辆行业的应用

这一广泛的应用集反映了 Abaqus 的优势。实际上，在顶级 OEM 的车辆开发周期中，设计是“以仿真驱动”的：团队会在早期频繁运行碰撞、耐久性和 NVH 仿真以优化设计。结果是物理原型在较晚阶段才被制造，且碰撞测试车辆数量减少。例如，宝马使用 Abaqus 进行所有耐撞性仿真显著提高了预测准确性，从而实现了更轻、更安全的设计。达索指出，SIMULIA（Abaqus）在汽车领域有 30 年的历史，具有广泛的非线性材料/接触功能，以捕捉真实车辆行为。

虚拟测试带来了巨大的成本和时间节省。达索最近的一份新闻稿指出，使用 Abaqus 进行的虚拟碰撞测试“比使用昂贵原型的物理碰撞测试快得多，费用也低得多”。通过用仿真替代部分真实测试，OEM 可以将开发周期缩短数月。同样，在排放测试（WLTP）中，监管程序现在允许“用虚拟测试代替物理测试”，而 Abaqus 帮助建立了可信的虚拟测试制度。总体而言，仿真缩短了周期并减少了废料：一项研究表明，Abaqus 使复合材料车辆设计周期加速了 25–30%，并显著降低了成本。

常见问题与仿真解决方案 航空航天和汽车工程都面临类似的挑战：

设计复杂性与认证 ：新的节能设计（复合材料机翼、轻量级底盘）推动了材料行为的边界。没有仿真，工程师必须制作许多物理原型。Abaqus 允许他们快速测试数百种“假设”场景。例如，在构建昂贵的复合材料测试样本之前，制造商可以使用带有 Engenuity CZone 模块的 Abaqus 预测该复合材料在冲击下的压碎行为。据宾利汽车公司称，此类工具让他们“对预测耐撞性的信心……相当于我们今天评估钢结构的信心”。

碰撞与安全 ：确保乘员安全至关重要。物理碰撞测试会摧毁车辆且费用高昂，因此用虚拟测试替代是一个巨大的胜利。Abaqus 可以使用包含车辆和假人的详细模型模拟高速碰撞。在侧撞分析中，工程师现在使用 Abaqus 的 WorldSID 假人模型在设计期间执行数十次精确的仿真。每次模拟都会揭示应力集中和潜在伤害，指导改进。结果是更安全的车辆以更低的成本开发——一项分析得出结论，使用 Abaqus 设计的复合材料保险杠盒可以“在初始制造和维修成本更低的情况下提高安全性”。

热应力与材料失效 ：发动机、制动器和电子设备可能会过热或冷却过快，导致热应力。Abaqus 的热传递和热应力求解器帮助识别热点和变形。对于涡轮叶片，3DEXPERIENCE 平台上的耦合 CFD/FEA 可以优化冷却通道，减少物理发动机测试的需求。在汽车行业，Abaqus 分析刹车盘加热可防止反复停车后出现意外裂缝或翘曲。

振动与噪音 ：机翼的气动弹性颤振或汽车的 NVH 问题通常在测试后期才会显现。Abaqus 的模态和调和分析让工程师能够及早发现这些问题。通过模拟振动和声学，公司可以最大限度地减少代价高昂的后期修复。例如，在航空航天领域推进数字噪声认证意味着依靠 Abaqus 在构建原型之前模拟整体飞机噪声。

结构优化 ：两个领域都力求在满足强度要求的同时尽可能减轻部件重量。Abaqus 集成了拓扑优化工具，建议去除材料的位置。在汽车底盘设计中，这些工具可以帮助减少公斤数而不影响碰撞性能。

在航空航天领域，它们优化加强筋和支架以达到最小重量。每一公斤的节省都能降低燃油成本和排放，从而在整个车辆或飞机生命周期内带来投资回报。 效率提升与成本降低 通过利用 Abaqus 仿真，公司可以获得显著的效率和成本效益。虚拟测试减少了所需物理原型和物理测试的数量。

达索报告称，在设计早期使用 Abaqus “有助于缩短开发时间，降低物理测试成本，并降低无法满足认证要求的风险”。在实际操作中，一次高保真度的 Abaqus 仿真可以替代数十次传统测试。例如，在模型上运行一百次不同的碰撞仿真可以确定最安全的设计，而无需实际碰撞车辆。

图4：物理碰撞测试（卡车撞击障碍物）

Abaqus允许类似的安全案例在虚拟环境中研究。虚拟碰撞测试“比破坏性的真实测试快得多，费用也低得多”。

总之，Abaqus 使移动行业能够实现“以仿真驱动的设计工作流程”，推动发现、创新和优化。多学科有限元分析让工程师能够在项目早期虚拟探索权衡（重量 vs 强度，成本 vs 安全）。这导致了更快的产品开发，并首次尝试就满足安全和性能目标的可能性更高。通过在屏幕上发现问题而不是在测试实验室中，Abaqus 帮助航空航天和汽车公司更快、更便宜地将更好的设计推向市场。