四维一体，正向重构｜浅谈轮胎行业正向结构设计体系建设
轮胎结构设计作为轮胎产品开发过程中非常重要的一个环节，高质量的设计直接影响到产品性能、产品交付周期、以及研发成本。全球轮胎行业的头部企业早已将数字化的结构设计和仿真、设计仿真一体化应用到轮胎产品研发过程中，极大的提高了产品开发周期降低产品开发成本以及标准化的企业设计知识、仿真知识的管控和重用，极大程度的提高了产品性能稳定性和一致性。
回顾上一期我们将正向结构设计体系分为4个等级。
图1 轮胎正向设计体系的4个等级划分
L1:目前大多数国内轮胎企业所处等级位置，逆向流程是通过将市场上表现比较好的竞品轮胎作为标杆进行解剖分析，虽然在前期企业发展中有着较快的实现新产品交付的优势，但随着企业的发展不能长久支撑企业自主研发水平的支撑，因此随着企业研发的发展就需要归纳总结经验形成自己的产品设计体系，因此大部分中国轮胎的头部企业经过多年积累已进入L2阶段。
L2：企业根据多年的经验积累，将产品设计方法标准化，应用CATIA知识工程模块将几何标准化的设计方法固化，形成用参数表达的几何特征，这样这些标准化的设计方法就能得到固化，那么不管什么水平的工程师都按照企业最佳实践的统一设计方法进行产品设计。
图2 轮胎设计几何标准化
L3：将产品设计过程通过流程固化，并应用产品设计准则驱动产品设计，通过CATIA EKL语言将产品设计的逻辑关系判断植入设计流程中，通过产品设计的企业知识驱动设计，这一等级的产品设计对企业的产品设计标准有着更高的要求，需要企业具备完整的产品设计体系，并且能够具备落地平台实现知识驱动设计的要求。
轮胎设计，如果按照学科来划分主要分为：
外观设计，含花纹设计、侧板设计及胎侧修饰线设计。
轮胎结构设计，含外轮廓设计和内部结构设计。
性能仿真，含花纹性能仿真如噪声、刚度、湿滑等，结构仿真如：接地印痕、刚度、耐久、滚阻等。及动力学仿真。
模具工程图，因为中国大部分轮胎企业的模具加工都是外协的，因此目前都是提供二维工程图给模具公司，模具公司负责模具的设计。
施工设计，即实现成品结构设计的工程设计如：口型板、各半部件的设计。
图3 轮胎设计流程
如果按照产品线规划的严谨性和产品性能目标稳定性，轮胎产品的设计应该按照专业划分角色。通常我们的轮胎企业是按规格划分负责人的，一个工程师负责这个规格即做花纹设计也做结构设计，那么在花纹扩展的时候，首规格到扩展规格是不同的人负责，就很难将首规格的设计理念有效的传递到扩展规格，从而导致同一款花纹在不同规格上花纹性能表现差异很大。
轮胎外观设计师，主要负责花纹设计，其职责是保证产品系列的外观和花纹性能一致性。他负责一款花纹的首规格设计及花纹扩展。
轮胎结构设计师，主要针对轮胎外轮廓和内部结构设计，保证结构性能的一致性。
仿真工程师，主要负责仿真知识库建立、仿真新项目研究，开发自动化的仿真供轮胎外观设计师和结构设计师使用。
模具工程师，将设计结构整个与模具厂沟通模具加工工艺，保证模具质量。
设计主管：主要对产品设计中的各项性能评估和把关。
图4 轮胎设计角色划分
01
应用CATIA知识工程将设计的核心要素固化成模板，这样保证重点知识的有效应用及花纹性能一致性，通过CATIA参数化设计及扩展提高设计效率，并集成花纹性能仿真的工具到平台里，实现边设计边仿真边优化，大幅提高产品设计的效率。
图5 花纹参数化设计
图6 花纹扩展及系列化管理
02
轮胎的胎体轮廓就如人体的脊椎，它决定了轮胎的各项重要性能，正向的轮胎结构设计应该从胎体的设计开始，知名的轮胎企业都有自己的胎体设计理论，如大家熟知的：平衡轮廓理论、不平衡轮廓理论，这些企业都将知己的设计理论通关CATIA进行固化和加密，在设计初期根据给定的关键参数如：规格、负荷指数、速度级别、外直径、断面宽等初步计算出胎体轮廓，在根据企业知识设计外轮廓使胎体和外轮廓匹配达到设计要求。然后再根据外轮廓和胎体轮廓设计内部结构如：带束层、胎圈、三角胶、胎侧等部件。
图7 轮胎外轮廓参数化设计
图8 轮胎内部结构设计
03
正向的产品设计体系，产品线规划是重中之重，国内大部分轮胎企业因为太多的个性化设计或主机厂特殊要求没有整合导致产品线管理混乱造成制造复 制度增加、制造成本居高不下，同时导致产质量稳定性差；反观国际知名轮胎企业，产品线清晰、简单，性能和质量都非常稳定。
产品线规划每个企业可根据自己的市场目标和性能要求划分，分为结构性能和花纹性能，然后根据二者组合将自己产品线组合出来，应用CATIA的模块化设计将产品线有序管理起来。
图9 轮胎结构系列化管理
图10 轮胎产品线管理
L1：正向结构设计体系的形成离不开完善的正向仿真体系的支撑，正向设计体系中，仿真体系的建设是不可或缺的一部分，首先建立自主的仿真能力，是我们正向仿真体系的基础，需要建立企业的材料本构模型、网格模型。
掌握轮胎非线性分析软件功能原理、网格划分原理、材料本构模型建立方法学、仿真、实测标定的原理等。
重点针对常规FEA仿真：接地印痕、压力分布、刚度、带束层、胎体端部橡胶应变能密度、下沉量等常规分析进行网格划分原理、材料本构模型建立方法学、仿真、实测标定的原理的研究。
L2: 设计仿真一体化：轮胎企业在L1基础知识和方法掌握的基础上，需要将我们的知识标准化，建立标准的正向仿真知识库：
建立常规FEA分析的网格标准
建立常规FEA分析的本构模型库
建立标准的常规FEA分析的标准流程
建立常规FEA分析的标准报告。
基于已建立的标准，建立常规FEA仿真自动化，提高分析效率和统一的分析标准，主要目的是降低仿真分析过程中人为因素导致的分析偏差和释放仿真人员的重复劳动，使得仿真人员能够集中精力放在研究上。
基于第二步形成的标准，建立自动网格划分
基于第二步形成的标准流程，建立常规FEA的自动仿真分析流程
基于第二步的标准报告，建立自动的后处理和自动输出报告
图11 自动仿真流程
图12 自动网格
图13 自动后处理
L3: 在设计参数化和仿真自动化的基础上，应用Isight进行产品优化设计，产品优化设计是根据目标要求通过仿真手段驱动产品的结构设计，比如：一个产品设计要求产品的矩形率大于90%，设定这个设计目标通过自动化的仿真和参数化的结构设计用仿真驱动参数优化最终经过迭代达到设计目的，目前国际上头部的轮胎企业大部分已实现L3，国内也有少数的头部企业实现这一等级。
L4:前面讲的3个等级都是通过工程学角度来实现产品设计和优化的，L4是在整个设计体系都已经形成数字化的基础上，通过数据科学的维度来指导设计，众所周知，数据科学的应用对数据的连续性和样本数量有着较高的要求，只有实现以上三个等级的建设才能真正的实现数据科学的应用，所以L4的维度不同、要求也更高。
图14 数据科学应用
这些年来我国的轮胎企业不管在市场份额、研发投入、技术还是工艺上都有非常大的提升，但与国际知名的轮胎企业来比我们仍处于发展的初期阶段，正向研发体系的转型是当下我们面临的重要挑战，只有研发成体系、产品管理有序才能保证产品质量一致性及降低 制造复杂度，先进工具的应用才能保证知识的传承和迭代，使得企业发展恒久长远。
来源：达索系统
