針對某一類客戶，輪胎制造商正在逐漸脫離傳統的業務模式，即每年只銷售一套新的輪胎產品。眾多大型車隊供應商已開始采用“輪胎即服務”的形式。對于這個一直以來只與他們的客戶單點接觸的傳統行業來說，這是一次重大轉變。

輪胎即服務：輪胎OEM廠商由實體商品供應商化身為輪胎可靠性服務商。這樣做的目的是，不再按固定的時間表（比如每隔12個月）更換高效優質的輪胎產品，而是根據實際的磨損狀況進行更換。

這種新業務模式需要持續監測每個輪胎的健康狀況。采集所有這類信息是制定相關決策的基礎所在。因此，在輪胎內部和周圍可以放置各種傳感器，以測量運行時間、壓力和瞬態載荷等指標。為了讀取這些數據，必須使用無線通信，因為通過輪胎進行數據的有線傳輸既不實際，也不可行。將天線巧妙地放置在輪胎內，就能實現快速、非侵入性的數據采集。每當車輛經過手持讀取設備的人員或固定安裝的讀取站（例如安裝在經常光顧的加油站）時，數據就會從輪胎發送到云端，用于持續分析。

 

問題

輪胎在恒定載荷和相當大的應力下工作；無論天氣條件如何、道路質量如何，它們需要能夠行駛數萬英里的路程。通過物理測試來準確預測輪胎的使用壽命，以及我們示例中的安裝在輪胎上的天線的使用壽命，幾乎是天方夜譚，而這正是高保真度且緊密耦合的多物理場仿真的用武之地。

 

輪胎拓撲

輪胎并不像人們最初認為的那樣，只是一個每隔幾千英里行程就需要充氣的橡膠圈，它的結構是一種高度復雜的多層裝配體。所有這些夾層由不同材料制成，如尼龍、鋼絲和各種不同類型的橡膠。為開展詳細的多物理場仿真，需要借助準確的虛擬表達來體現這種復雜性。除此以外，我們還需要評估天線的工作狀況與性能。天線一般固定在輪胎側壁內側；然而對于卡車輪胎，其側壁往往使用鋼側壁進行進一步加固，因此天線需要在制造流程中嵌入到輪胎中，以免被法拉第籠屏蔽。

天線既可以根據產品說明書從頭開始構建，也可以從Antenna Magus中選擇。Antenna Magus交互式目錄包含350多種針對各種應用的不同天線拓撲，其中，我們可以直接調試給定的天線，并對其預期性能和天線特性開展簡單分析。這個目錄可以方便地按照用例、頻率范圍或封裝約束進行篩選，從而快速縮小設計空間，選擇可能適用于給定應用的備選天線。在我們的示例中，我們需要一種工作頻率范圍介于800到1000KHz之間的平面天線；因此我們選擇了一款適用于這種用例的彎折天線。

 

仿真場景

 

輪胎在整個使用壽命中都承受著相當大的應力。如果不定期檢查輪胎壓力，它將有可能在欠壓狀態下工作，與地面接觸的區域將會變形。在這種情況下，安裝在輪胎內部的天線也會變形。這種變形既會直接嚴重影響天線的性能與功能，也會影響天線的預期使用壽命。

因為我們擁有輪胎裝配體以及所安裝天線的完整虛擬孿生，所以我們通過使用3DEXPERIENCE平臺上的“輪胎分析工程師”（Tire Analysis Engineer）角色，針對最差的載荷狀況（當輪胎轉動到天線位于輪胎底部時，發生最大預期變形）開展分析。

天線被設計和優化為扁平的結構件，最初附著在未變形的輪胎內襯上。然后我們可以將變形矢量應用到整個輪胎裝配體以及天線上，以生成完全變形的待測設備。

 

電磁分析

變形的裝配體可以直接導入電磁仿真環境，以進行常規的電磁仿真設置。主要步驟將包括：為復雜的輪胎裝配體和天線分配合適的材料屬性；定義激勵條件和邊界條件；設置求解器；細化局部網格。

由于這個問題的性質特殊，即在相對較大的結構件上放置變形的薄板天線，我們選擇使用市場領先的傳輸線矩陣（TLM）求解器。因為其使用了八叉樹網格，我們可以輕松地在天線附近應用非常精細的網格，該區域需要此分辨率來準確地劃分幾何結構的網格，與此同時，在距離天線較遠的區域，網格保真度會自動地降低。由此得到的網格包含2500萬個單元。為了高效運行仿真，我們的時域求解器可充分利用云計算和GPU加速，大幅縮短仿真時間。

CST Studio Suite功能強大的后處理引擎讓我們能生成可能具有相關性的各種形式的輸出。在本例中，除了散射參數和遠場方向性等常規的天線相關KPI，我們還想要研究讓輪胎能夠與手持讀取設備或前文所述的讀取站成功通信的最小讀取距離。這也可以相應地進行輕松設置和可視化。

 

流程自動化

現在我們已完成了結構仿真和電磁仿真的設置和測試，我們想開展緊密耦合的多物理場實驗設計。我們并不是只在一種輪胎旋轉角度下進行裝配體分析，而是使用Process Composer耦合兩種物理場，然后對每一種可能的旋轉角度開展參數掃描，從而確保天線在所有狀況下都能良好工作。

 

預期使用壽命

最后簡單介紹一下疲勞情況。正如前文所述，輪胎裝配體將在相當長的時間內承受大量載荷。彎折天線的絲狀結構件特別容易受到疲勞問題的影響。汽車駛過的每個坑洼都可能導致金屬結構件斷裂，這種斷裂會隨時間的推移而不斷擴展，直至天線最終破損并無法發揮功能。疲勞分析能幫助預測給定結構件在故障發生前的預期載荷周期和預期使用壽命。這將成為確定需要更換哪個輪胎的一項重要指標。詳細的遙測技術信息將幫助OEM廠商根據每個輪胎的具體情況做出明智決策。

 

總結

總之，這種高度集成的MODSIM工作流程在參數化CAD和高保真度多物理場仿真之間建立起關聯性。這有助于深入了解各種設計參數及其在真實載荷條件下對系統性能的影響。由于CAD中的數據為下游仿真提供統一數據源，我們可以開展緊密耦合的多物理場分析，并評估結構變形可能會對已安裝天線的電磁性能所產生的影響。得益于上述功能，我們不僅可以加深對產品和優化設計的理解，而且能夠大幅縮短開發時間。

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