一“轮”一世界 ｜基于3DEXPERIENCE平台的SmarTyre解决方案介绍
▲一“轮”一世界 ｜基于3DEXPERIENCE平台的SmarTyre解决方案介绍
轮胎设计是一门综合学科，涉及多个专业领域。高分子材料、系统工程与仿真、力学仿真、设备与工艺等。轮胎需要综合性能，单单提高一种性能容易，综合性能提高则很困难。用一个轮胎界前辈的话说，设计轮胎并不比设计一辆汽车简单。
本文将会从质量检查，材料开发，系统工程，汽车系统仿真，轮胎设计，轮胎仿真，模具设计，生产制造八个方面简单介绍达索系统3DEXPERIENCE平台针对轮胎行业的SmarTyre解决方案。
质检员测量的是轮胎的一些参数化的特性，特别是轮胎各部件关键点之间的距离以及关键部位的胶料厚度，分析轮胎断面的关键参数值是否符合设计要求，并在后续的产品设计中能够持续改进（图1）。在3DEXPERIENCE平台中能够实时在线的对测量数据进行统一管理，并进行各项品质管控。
（图1）
轮胎材料配方是由许多成分混合在一起形成复杂的配方，通过数据科学可以帮助改进现有的轮胎材料配方：即对现有的初始数据进行分析和整理，建立具有特定特征的模型，设计新的实验，筛选虚拟配方，寻找下一代配方。其过程可以划分为：数据分析，机器学习，试验设计和虚拟配方四个步骤。
数据分析可以对大量现有配方运行一套统计分析工具，使用条件规则对公式数据进行过滤，将典型值可视化。例如：箱型图可以直观显示性能和橡胶成分的统计数据（图2.1）；帕累托排序可使两个性质的最优公式可视化，选择一个点可以显示配方的成分（图2.2）。
（图2.1）
（图2.2）
机器学习可以通过现有配装数据建立模型，从而预测特征。在建立模型之前，会将数据随机分为训练集和测试集。通过使用不同的机器学习组件来建立模型，并对每个模型的性能进行评估（图2.3），可以得到性能最好的模型。比较每个变量对整体模型的影响程度可以找出哪些是材料配方中的关键变量。
（图2.3）
通过执行DOE工具可以减少实验次数，分析影响因素之间交互作用影响的大小，找出主要影响因素和较优的参数组合，从而缩短试验周期，提产品高质量水准，避免后期重新设计（图2.4）。
（图2.4）
将试验设计和机器学习相结合，使用DOE工具枚举虚拟配方，对于每个公式，使用机器学习模型计算重要参数，最后筛选得到候选配方。这种方法可以在所有可能性的空间中挖掘出最优的配方，以传递给进一步的开发和测试（图2.5）。
（图2.5）
基于模型的系统工程方法通过允许在设计阶段早期对新产品的可靠性和性能做出正确的决定，从而减少复杂系统的开发时间和成本。
通过3DEXPERIENCE平台，系统工程师能够获取到需要在新设计中被实现的不同技术期望。在不同的需求中，系统工程师可以定义不同的任务，我们称之为功能（即新产品需要能够实现的功能）。通过将每个需求链接到一个特定的功能，可以保证在平台内追溯到每个需求是如何被实现的。系统工程师需要保证新产品的性能，使之能够完成不同的任务/功能，从而了解该解决方案是否满足技术需求。（图3.1）
（图3.1）
例如使用Modelica连接到系统架构中，能够使用不同的多物理库将轮胎模型集成到车辆中，并为整个系统分配行为。然后可以通过仿真验证整个系统的行为，并借助绘图技术提取应用在轮胎上的约束，这些约束将被重新用作更多有限元分析的输入（图4.1）。
（图4.1）
基于轮胎结构设计流程建立的Tire Builder应用程序显示了一系列指导设计人员的步骤，一旦设计师定义了轮胎的整体尺寸，内轮廓就会自动生成。设计的每个元素，定义的每个信息都被存储起来，并且允许设计者在不同步骤之间来回切换。一旦产生了内轮廓，设计师就可以开始配置不同的轮胎组件。例如设计师可以选择他想要实现的带束层数量，并将最终结果可视化。
用户还可以配置不同的参数，实现更多的设计规则。然后，可以启动生成的所有轮胎组件将自动定位。最后，我们可以从生成的轮胎的截面上看到所有不同的部分：外轮廓，材料分布图……轮胎设计师可以在任何已经设计和修改的组件上导航，甚至可以选择其他轮胎尺寸，一切都将相应地更新。（图5.1）
（图5.1）
达索系统对多种仿真需求都有着成熟的解决方案：
Abaqus-XFlow协同模拟解决方案：XFlow是一个LBM CFD代码，适用于瞬态事件；Abaqus是轮胎行业广泛使用的结构求解器；Abaqus-XFlow协同仿真（双向耦合）为这一具有挑战性的FSI问题提供了高逼真度的解决方案（图6.1）。
（图6.1）
SUMULIA解决方案：具有损伤的有限弹性和有限塑料模型；具有强大的一半接触的显式动力学求解器；轮胎强化模型的特殊用途元件；生成完整3D轮胎模型的专业技术。（图6.2）
（图6.2）
SIMULIA解决方案：耦合温度唯一程序Abaqus/显式；温度依赖性非线性粘弹性（并行流变框架）材料模型；由于粘弹性耗散而在PRF材料模型中捕获的热生成；使用显示动力学方法实现稳定状态解决方案的特殊技巧（图6.3）。
（图6.3）
SIMULIA动力流解决方案：模拟旋转轮胎，包括胎面模拟中的详细信息；准确预测车轮和轮胎产生的阻力（图6.4）。
（图6.4）
除此以外的高速转动，轮胎噪音，雪地试验等等仿真模拟此处不再枚举。
通过3DEXPERIENCE平台的设计解决方案，借助Type3嵌入式插件，设计师可以很容易的将文本投射到轮胎胎侧。设计师可以定义不同的花纹沟节距，任意选择在轮胎周向实例化花纹节距排布序列。如果轮胎设计尺寸发生变化，那么花纹沟节距也会自动适应。
一旦所有的花纹沟节距都确定，就可以准备用于制造轮胎的模具。所有用于制造的部件都是自动定义的（预先模板化模具设计），因此它们能够完全适应设计。设计师也可以随后修改其设计，模具零件也会随之修改（图7.1）。
（图7.1）
制造工程师需要将轮胎工业化。由于数字连续性，MBOM加载了对应的EBOM，颜色编码可以检查MBOM的状态。所有的可用组件都会通过备用项目列出。所有步骤都由本地MBOM项编辑和使用。特性管理允许指定每个资源的可用性范围。一种资源可以用于多个制造过程步骤（图8.1）。
（图8.1）
基于3DEXPERIENCE平台的SmarTyre解决方案提供了完整轮胎行业端到端的解决方案，是基于行业的最佳实践提炼而来。BIOVIA的基于分子建模的能力为配方的设计提供了直观的、精准的设计分析；CATIA的参数化、流程化设计能力为结构设计提供了参数化、连续性的设计结果；SIMULIA的多学科仿真能力为轮胎的内部结构分析、整车集成分析提供了丰富的分析方法；ENOVIA的强大的管理能力为设计数据、BOM提供完整的数据管理和分析应用能力。本文着重从材料配方设计、轮胎结构设计、仿真验证、模具设计、制造BOM等方面介绍了其相关应用方案。通过SmarTyre解决方案，可有效提升轮胎设计能力，提高轮胎设计性能和设计效率，减少设计误差。
