轮胎的天线结构工程：座下是“风火轮”，仿真作“追风马”

针对某一类客户，轮胎制造商正在逐渐脱离传统的业务模式，即每年只销售一套新的轮胎产品。众多大型车队供应商已开始采用“轮胎即服务”的形式。对于这个一直以来只与他们的客户单点接触的传统行业来说，这是一次重大转变。

这种新业务模式需要持续监测每个轮胎的健康状况。采集所有这类信息是制定相关决策的基础所在。因此，在轮胎内部和周围可以放置各种传感器，以测量运行时间、压力和瞬态载荷等指标。为了读取这些数据，必须使用无线通信，因为通过轮胎进行数据的有线传输既不实际，也不可行。将天线巧妙地放置在轮胎内，就能实现快速、非侵入性的数据采集。每当车辆经过手持读取设备的人员或固定安装的读取站（例如安装在经常光顾的加油站）时，数据就会从轮胎发送到云端，用于持续分析。

轮胎在恒定载荷和相当大的应力下工作；无论天气条件如何、道路质量如何，它们需要能够行驶数万英里的路程。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，几乎是天方夜谭，而这正是高保真度且紧密耦合的多物理场仿真的用武之地。

轮胎并不像人们最初认为的那样，只是一个每隔几千英里行程就需要充气的橡胶圈，它的结构是一种高度复杂的多层装配体。所有这些夹层由不同材料制成，如尼龙、钢丝和各种不同类型的橡胶。为开展详细的多物理场仿真，需要借助准确的虚拟表达来体现这种复杂性。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，其侧壁往往使用钢侧壁进行进一步加固，因此天线需要在制造流程中嵌入到轮胎中，以免被法拉第笼屏蔽。

天线既可以根据产品说明书从头开始构建，也可以从Antenna Magus中选择。Antenna Magus交互式目录包含350多种针对各种应用的不同天线拓扑，其中，我们可以直接调试给定的天线，并对其预期性能和天线特性开展简单分析。这个目录可以方便地按照用例、频率范围或封装约束进行筛选，从而快速缩小设计空间，选择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范围介于800到1000KHz之间的平面天线；因此我们选择了一款适用于这种用例的弯折天线。

轮胎在整个使用寿命中都承受着相当大的应力。如果不定期检查轮胎压力，它将有可能在欠压状态下工作，与地面接触的区域将会变形。在这种情况下，安装在轮胎内部的天线也会变形。这种变形既会直接严重影响天线的性能与功能，也会影响天线的预期使用寿命。

因为我们拥有轮胎装配体以及所安装天线的完整虚拟孪生，所以我们通过使用3DEXPERIENCE平台上的“轮胎分析工程师”（Tire Analysis Engineer）角色，针对最差的载荷状况（当轮胎转动到天线位于轮胎底部时，发生最大预期变形）开展分析。

天线被设计和优化为扁平的结构件，最初附着在未变形的轮胎内衬上。然后我们可以将变形矢量应用到整个轮胎装配体以及天线上，以生成完全变形的待测设备。

变形的装配体可以直接导入电磁仿真环境，以进行常规的电磁仿真设置。主要步骤将包括：为复杂的轮胎装配体和天线分配合适的材料属性；定义激励条件和边界条件；设置求解器；细化局部网格。

由于这个问题的性质特殊，即在相对较大的结构件上放置变形的薄板天线，我们选择使用市场领先的传输线矩阵（TLM）求解器。因为其使用了八叉树网格，我们可以轻松地在天线附近应用非常精细的网格，该区域需要此分辨率来准确地划分几何结构的网格，与此同时，在距离天线较远的区域，网格保真度会自动地降低。由此得到的网格包含2500万个单元。为了高效运行仿真，我们的时域求解器可充分利用云计算和GPU加速，大幅缩短仿真时间。

CST Studio Suite功能强大的后处理引擎让我们能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常规的天线相关KPI，我们还想要研究让轮胎能够与手持读取设备或前文所述的读取站成功通信的最小读取距离。这也可以相应地进行轻松设置和可视化。

现在我们已完成了结构仿真和电磁仿真的设置和测试，我们想开展紧密耦合的多物理场实验设计。我们并不是只在一种轮胎旋转角度下进行装配体分析，而是使用Process Composer耦合两种物理场，然后对每一种可能的旋转角度开展参数扫描，从而确保天线在所有状况下都能良好工作。

最后简单介绍一下疲劳情况。正如前文所述，轮胎装配体将在相当长的时间内承受大量载荷。弯折天线的丝状结构件特别容易受到疲劳问题的影响。汽车驶过的每个坑洼都可能导致金属结构件断裂，这种断裂会随时间的推移而不断扩展，直至天线最终破损并无法发挥功能。疲劳分析能帮助预测给定结构件在故障发生前的预期载荷周期和预期使用寿命。这将成为确定需要更换哪个轮胎的一项重要指标。详细的遥测技术信息将帮助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工作流程在参数化CAD和高保真度多物理场仿真之间建立起关联性。这有助于深入了解各种设计参数及其在真实载荷条件下对系统性能的影响。由于CAD中的数据为下游仿真提供统一数据源，我们可以开展紧密耦合的多物理场分析，并评估结构变形可能会对已安装天线的电磁性能所产生的影响。得益于上述功能，我们不仅可以加深对产品和优化设计的理解，而且能够大幅缩短开发时间。

来源：达索系统