一辆汽车从最初的造型构想到最终量产，要经历一系列设计与验证工作。
从汽车造型、整车工程设计，到结构、碰撞、动力学、流体与热管理仿真，汽车研发的不同环节对应着不同的软件工具链。
本期，我们基于汽车研发的主要环节，整理了多款在汽车设计领域有代表性的软件，一起来看看它们分别解决什么问题，又各自有哪些特点。
车身比例如何、车头采用什么样的设计、车身曲线如何过渡，都会影响汽车最终呈现出来的视觉效果。同样是一款SUV，设计师可以通过调整车顶线条、车身曲面和车轮拱的造型，让整车呈现出运动、硬朗或更具流线感的不同风格。这些设计不仅要考虑美观，还要兼顾曲面质量以及后续的工程开发要求。
Autodesk AliasAlias 来自Autodesk，长期用于汽车概念设计、曲面设计和 A 级曲面开发。它的特点是围绕造型探索、曲面控制和 A 级曲面开发建立了一套完整工具。例如，设计一款汽车的侧面造型时，设计师需要反复调整车门、翼子板和车身侧面的特征线。如果曲面过渡不够顺畅，即使从普通视角看不出明显问题，在光线反射下也可能出现不自然的明暗变化。
Alias 可以帮助设计师检查和调整这些细节，逐步完善车身曲面。
马自达就使用 Alias 进行汽车造型设计，并将其用于包括 Mazda3 在内的车型开发，从前期造型一直做到 Class-A 曲面。阿斯顿·马丁也使用 Alias 进行汽车创意设计和 Class-A 曲面设计。
汽车外观造型逐步确定之后，设计工作会继续进入更加庞大的整车工程阶段。设计人员需要将外观方案转化为可以进行工程开发的三维模型。车身、底盘、发动机或电驱系统、内外饰以及各种零部件，都需要确定具体的结构、尺寸和装配关系。不同专业之间还需要持续协调，确保各个系统能够在有限的整车空间内合理布置。这一阶段，CATIA / 3DEXPERIENCE 和 Siemens NX 都是汽车行业长期使用的核心工程设计工具。
CATIA / 3DEXPERIENCECATIA 是达索系统旗下的核心三维设计软件，长期用于汽车等复杂产品研发。如今，越来越多的设计工作会放在 3DEXPERIENCE 平台中进行。CATIA 承担具体的三维设计、曲面、机械工程等工作，3DEXPERIENCE 则提供产品数据、协同和整个研发环境。以汽车底盘设计为例，工程师需要在三维环境中布置悬架、转向机构和其他零部件，检查各部件的安装空间和装配关系。如果后续调整了某个部件的位置，相关的结构设计也可能需要同步修改。借助 CATIA 和 3DEXPERIENCE，设计人员可以在统一的产品研发环境中开展设计和协同工作。小米汽车在2021年启动信息化系统选型，同年确定与达索系统合作，采用 3DEXPERIENCE 平台开展包括 CATIA 在线协同设计在内的相关工作。从传统车企到新能源车企，CATIA 在汽车三维设计领域一直保持着主流地位。
Siemens NXNX（Designcenter） 是西门子旗下的高端三维 CAD/CAM 平台，在汽车研发中主要用于整车及零部件的工程设计、装配和后续制造衔接。它和 CATIA 在汽车设计方面的能力有不少重合，同样覆盖车身、底盘、动力系统、零部件以及大型装配等设计工作。它的特点是设计和制造之间的联系比较紧密，三维模型做完，同一套数据可以继续做加工编程和制造仿真，减少中间的数据转换。例如，汽车中的某个金属结构件完成三维设计后，还需要进一步考虑如何通过数控机床加工出来。工程师可以利用 NX 将设计模型衔接到后续的加工编程工作中，规划刀具路径，并通过制造仿真检查加工过程，减少设计与制造之间的重复处理。奔驰此前经历过一次大规模 CAD 平台迁移，从 CATIA 转向 NX。最终完成 NX CAD 部署，并迁移了超过 23.5 万个 CAD 对象，培训超过 6200 名用户。对于同时看重设计和制造衔接的车企，NX 的 CAD/CAM 一体化是比较自然的选择。对于汽车企业来说，CATIA 和 NX 都可以承担复杂的整车工程设计工作。不同企业会结合已有的研发体系、设计流程以及制造需求，建立适合自身的软件应用环境。完成三维设计后，工程师还需要验证它在真实使用过程中是否安全、可靠，驾驶体验是否符合设计要求。
比如，汽车经过减速带时，车身和悬架会受到冲击；高速行驶时，方向盘可能出现振动，车厢也可能产生噪音声；发生碰撞时，车身需要吸收冲击能量，保护乘员安全；对于新能源汽车，电池温度、空气阻力和冷却系统也会影响车辆的性能表现。
这些问题通常需要借助 CAE 仿真软件，在虚拟环境中模拟不同工况，分析汽车的结构、运动、流体和热学表现。
不同软件负责的仿真任务并不相同，下面这几款软件覆盖了汽车研发中比较重要的仿真方向。
HyperMeshHyperMesh原Altair（已被西门子收购）旗下软件，主要用于 CAE 前处理。
以车身碰撞分析为例，三维设计模型还不能直接用于求解。工程师需要先对几何模型进行处理，划分有限元网格，再为不同零部件设置材料、厚度、连接关系和边界条件，建立求解器能够识别的计算模型。HyperMesh 主要负责这些计算前的准备工作，帮助工程师将复杂的汽车 CAD 模型转化为可用于仿真的有限元模型。
它的特点在于不绑定单一求解器。可以将准备好的模型输出给 Nastran、Abaqus、LS-DYNA 等不同软件使用。对于同时采用多种求解器的汽车企业来说，这有助于统一前处理流程和模型标准。
AbaqusAbaqus 是达索系统 SIMULIA 品牌下的有限元分析软件。在汽车研发中，常用于结构分析、非线性问题以及碰撞等复杂工况。比如，汽车悬架在经过颠簸路面时，会受到来自车轮和车身的复杂载荷。工程师可以通过仿真分析悬架零部件的应力分布和变形情况，判断结构是否满足设计要求，并根据结果调整零部件的形状、尺寸或材料。宝马从 1986 年开始使用 Abaqus，应用范围包括发动机、底盘和白车身等设计，之后又将 Abaqus 用于整车碰撞安全仿真。Abaqus 的应用重点之一，就是解决结构响应复杂、非线性特征明显的工程问题。
MSC NastranNastran 由 NASA 在 1960 年代开发，1971 年由 MSC 商业化，目前是 Cadence 旗下产品。
在汽车研发中，Nastran 主要用于结构、模态、振动以及 NVH 等领域。
工程师可以利用它分析车身、底盘和零部件在载荷作用下的结构响应，也可以研究零部件的固有频率和振动特性，为结构设计和振动控制提供分析依据。
比如，汽车高速行驶时，方向盘可能会产生振动，车厢内也可能产生让人不适的低频噪声，影响驾驶和乘坐舒适性。这些现象可能与轮胎、动力系统、悬架、车身结构等多个因素有关。
工程师可以利用 Nastran 分析车身结构的振动特性，了解哪些部位容易产生明显响应，为后续的结构优化和 NVH 设计提供依据。
沃尔沃汽车就利用 MSC Nastran 分析了车身结构振动对车载音响系统的影响。
Ansys LS-DYNALS-DYNA 是Ansys旗下显式动力学软件，长期深耕碰撞安全这一领域。
汽车发生碰撞时，车身会在很短的时间内承受巨大的冲击力，零部件可能出现大变形、材料失效和高速接触等复杂现象。
LS-DYNA 可以模拟这类瞬态动力学过程，帮助工程师分析碰撞过程中车辆的结构响应。
例如，在汽车正面碰撞仿真中，工程师可以设置车辆速度、碰撞壁障和车身结构等条件，模拟车辆撞击后车头如何变形、碰撞力如何传递，以及乘员舱结构是否能够满足安全设计要求。在汽车设计中，它应用范围还包括侧面碰撞、柱碰、追尾、翻滚，以及安全气囊展开、安全带约束、假人伤害指标、行人保护、电池包挤压等工况。LS-DYNA 在汽车行业已有多年应用历史，并用于全球多个汽车 OEM 的碰撞分析。对于碰撞安全研发来说，它主要承担高速冲击和复杂瞬态过程的仿真分析工作。
MSC AdamsAdams 目前是 Cadence 旗下的多体动力学软件。长期用于汽车悬架、转向系统以及整车动力学分析。与主要研究零部件应力和变形的有限元软件不同，Adams 更关注由多个刚体和运动副组成的机械系统，在运动过程中会产生怎样的位移、速度、加速度和受力。它在汽车研发中的工作比较直观，就是把悬架、车轮、转向、车身等机械系统放到虚拟环境里，模拟整车在不同工况下运动状态。
例如，汽车经过弯道时，车身会发生侧倾，悬架、车轮和转向系统也会随之运动轮胎承受的载荷也会发生变化。工程师可以在 Adams 中模拟不同车速、转向输入和路面条件，观察悬架运动、轮胎受力和车身姿态等变化。再结合仿真结果调整悬架几何参数，研究车辆的操纵稳定性和行驶表现。
法拉利就曾用 Adams/Car 开发法拉利和玛莎拉蒂的悬架系统，从零部件级、子系统级一路做到整车级，研究侧倾轴线位置这类难以通过试验测量的参数。
Simcenter Star CCM+STAR-CCM+ 是西门子旗下的 CFD 软件，主要用于汽车空气动力学、热管理以及流体相关的多物理场仿真。汽车在高速行驶时，车身周围的空气流动会影响风阻和气动性能；发动机、电机和电池运行时产生的热量，也需要通过冷却系统进行管理STAR-CCM+ 可以将流体流动和传热等问题放在同一套仿真环境中进行分析。例如，新能源汽车在高速行驶时，空气阻力会影响车辆能耗；电池运行时产生的热量，则需要通过冷却系统及时带走。工程师可以在 STAR-CCM+ 中建立整车周围的气流模型，观察空气经过车头、车顶和车尾时的流动状态，分析风阻和气动特性。同时，也可以模拟电池冷却液的流动和热量传递，研究不同冷却方案对电池温度分布的影响。除了整车空气动力学和电池热管理，STAR-CCM+ 的应用还包括机舱热管理、座舱空调舒适性、除霜除雾、雨水管理、涉水和气动噪声等。
CarSimCarSim 是 Applied Intuition旗下产品，一款面向乘用车和轻型商用车的整车动力学仿真软件，主要用于车辆操纵稳定性、制动、平顺性以及控制系统等方面的仿真分析。与 Adams 更侧重机械机构和多体动力学建模不同，软件提供了面向整车的车辆动力学模型和测试环境，可以直接设置车辆参数、道路、驾驶操作和测试工况，模拟车辆在不同条件下的运动状态。例如，要验证汽车在湿滑路面上紧急制动时的表现，工程师可以在 CarSim 中设置车速、路面附着条件和制动操作，观察车辆的减速度、车轮状态和行驶轨迹。分析车辆在制动过程中的动态响应。软件还可以与 MATLAB/Simulink、LabVIEW 等工具进行联合仿真，用于 ABS、ESC、ADAS 等控制系统的开发与验证。在整车动力学仿真和控制系统开发这一层，CarSim 主要解决的是车辆在不同驾驶工况下会如何运动，以及相关控制系统能否按照预期工作等问题。从造型曲面到整车工程，从结构强度到碰撞安全，再到气动与热管理，一辆车的设计研发链路很长，上面介绍的软件，只是其中比较有代表性的一部分。
实际的汽车研发还会涉及冲压、焊装、总装工艺，NVH与疲劳耐久，控制器软件开发，自动驾驶仿真、试验管理，以及PLM和项目管理等环节，对应的专业软件还有很多。
它们各自负责不同的设计和分析任务，最终共同服务于整车研发。
你用过哪些汽车设计或仿真软件？欢迎在评论区聊聊在实际项目中的使用体验。
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