从传统到创新的飞跃：轮胎的天线结构工程

针对某一类客户，轮胎制造商正在摆脱每年只销售一套新轮胎产品的传统做法。众多大型汽车供应商正在开始接受“轮胎即服务”。对于这个非常古老的行业（传统上只与他们的客户建立单一联系），这是一次重大转变。

所谓轮胎即服务，是指轮胎OEM厂商不再是单纯的按硬件销售轮胎，而是根据轮胎的正常使用寿命销售轮胎。这样做的目的是，不再按固定的时间表（比如每隔12个月）更换高效优质的轮胎产品，而是按照实际磨损状况进行更换。

这种新业务模式需要持续监测每个轮胎的健康状况。采集所有这类信息，就构成了做出决策的基石。为测量运行时间、压力和瞬态载荷等指标，可以在轮胎内部和周围布置各种传感器。为读取这样的数据，必须使用无线连接，因为在轮胎上连接往返数据线既不实际，也不可行。

在轮胎内策略性地放置天线，就能实现快速、非侵入式数据采集。每当车辆经过手持读取设备的人或固定读取站（经常光顾的加油站）时，数据就会从轮胎发送到云端，用于持续分析。

轮胎工作在恒定载荷和显著应力下。它们需要在各种天气状况下，在不同质量的道路上行驶数万英里。

通过物理测试来准确预测轮胎的使用寿命，以及我们示例中的安装在轮胎上的天线的使用寿命，几乎是不可能的。

此时，高保真度且紧密耦合的多物理场仿真就有了用武之地。

事实上，轮胎并不是有些人最初想象的那样简单，“只是一个每隔几千英里行程需要充一次气的橡胶圈”，它在结构上是一个十分复杂的多层装配件。

构成轮胎的各层彼此叠加，由诸如尼龙、钢网和各种不同类型的橡胶等不同材料制成。为开展详细的多物理场仿真，需要借助能够体现这种复杂性的准确的虚拟表达。

除此以外，我们还需要评估天线的工作状况与性能。天线一般固定在轮胎侧壁内侧；然而对于卡车轮胎，其侧壁往往用钢侧壁进行进一步强化，因此天线需要在制造流程嵌入轮胎中，以免被屏蔽在法拉第笼里。

天线可以根据产品说明书从头开发，也可以从Antenna Magus选择。Antenna Magus是一个交互式目录，包含350多种不同的天线拓扑结构，可以适用于各种场景。

在这个目录里，我们可以直接调试给定的天线，对它的预期性能和天线特性开展简单的分析。这个目录可以方便地按用途、频率范围或封装约束进行筛选，从而快速缩小设计空间，圈定可能适用于给定应用的备选天线。在我们的示例中，我们需要一种工作频率在800到1000KHz范围内的平板天线；因此我们选择了可以用于这种用例的一个合适的弯曲天线。

轮胎在其使用寿命中承受着巨大的应力。如果不定期检查轮胎压力，将有可能在欠压状态下工作，与地面接触的区域将变形。如果发生这种情况，安装在内部的天线也会变形。这种变形既会给天线性能与功能带来严重的直接影响，也会影响天线的使用寿命。

因为我们有轮胎装配体（与安装的天线相结合）的完整虚拟孪生，所以通过使用3DEXPERIENCE平台上的“轮胎分析工程师”（Tire Analysis Engineer）角色，可以针对轮胎转动到天线位于轮胎底部，发生最大预期变形这种最严重的载荷状况开展分析。

天线被设计和优化成一个平板结构件，最初附着在未变形的轮胎内衬上。我们可以将变形矢量应用于整个轮胎装配体以及天线，生成完全变形的待测设备。

变形装配体可以直接导入电磁仿真环境，进行常规的电磁仿真设置。主要步骤包括向复杂的轮胎装配体和天线赋予合适的材料属性；定义激励条件和边界条件；设置求解器；细化局部网格。

鉴于问题的性质，即我们在一个相对较大的结构件上有一个变形的薄板天线，我们选择使用我们市场领先的传输线矩阵（TLM）求解器。因为使用八叉树网格，我们可以轻松地在天线附近应用非常精细的网格（准确求解所需要的网格剖分精度），同时在距离天线较远的区域内，自动地降低网格保真度。这样生成的网格有2500万个单元。为高效运行仿真，我们的时域求解器充分运用云计算和GPU加速，大幅缩短仿真时间。

CST Studio Suite功能强大的后处理引擎允许我们生成可能具有相关性的各种形式的输出。在本例中，除了散射参数和远场方向性等正常的天线相关KPI，我们还可以研究读取距离，让轮胎与手持读取设备或前文所述的读取站成功地通信。这也可以相应地轻松设置并可视化。

到这里，结构仿真和电磁仿真都已完全设置和测试，如果想开展紧密耦合的多物理场实验设计，我们可以使用Process Composer耦合两种物理场，对每一种可能的转角开展参数扫描，而不是只对装配体在一种轮胎转动角度下的情况进行分析，从而确保天线在所有状况下都能正常工作。

最后简单说一下疲劳。正如前文所讨论的，轮胎装配体将在相当长的时间下承受载荷。弯曲天线的丝状结构件特别易受疲劳问题的影响。每个驶过的坑洼都可能导致金属结构件开裂，这种开裂会随时间推移而滋长，直至天线最终断裂，丧失使用功能。

疲劳分析能帮助预测在故障发生前，给定结构件能承受多少个周期，预期使用寿命是多长。这将成为衡量定期更换哪个轮胎的一个重要指标。详细的遥测信息将帮助OEM厂商根据每个轮胎的具体情况做出明智决策。 

总之，这种高度集成的MODSIM工作流程能够在参数化CAD和高保真度多物理场仿真间建立起关联。这样有助于对各种设计参数及其对真实载荷条件下系统性能的影响建立最深刻的理解。由于CAD中的数据为下游仿真提供单一数据源，因此我们可以开展紧密耦合的多物理场分析，评估结构变形可能会对已经安装的天线的电磁性能产生的影响。

所有这些都有助于在大幅缩短开发时间的情况下，加深对产品和优化后的设计的理解。