轮胎在恒定负载和显着应力下运行；它们需要在各种天气条件下、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寿命以及在我们的例子中安装在轮胎中的天线的寿命几乎是不可能的。这就是高保真度和紧密耦合的多物理场仿真发挥作用的地方。 

设计此类天线可能具有挑战性，因为它涉及优化天线的性能，同时还要考虑轮胎的机械约束。这就是CST Studio Suite提供强大的仿真环境来设计和分析电磁结构（包括天线）的地方。 

通过高级仿真增强结构天线设计 

首先，有必要了解电磁结构天线的概念。这些天线由导电材料组成，例如嵌入介电材料（例如橡胶）中的金属。它们可以设计为在特定频率和极化下工作，这些频率和极化由天线的尺寸和形状决定。当集成到轮胎中时，它们可以实现车辆与外部设备（例如 GPS 系统、智能手机和其他车辆）之间的无线通信。 

第 1 步：结构模拟 

轮胎并不像人们最初想象的那样，只是每几千英里充气一次的橡胶甜甜圈。该结构是一个高度复杂的多层组件。所有这些层都由不同的材料制成，例如尼龙、钢带和不同类型的橡胶。  

通过创建反映这种复杂性的准确虚拟表示，我们可以开始结合安装的天线对轮胎组装进行多物理场仿真。这使我们能够使用3DEXPERIENCE 平台上的轮胎分析工程师角色在最坏的负载情况下执行分析，即轮胎旋转将天线放置在轮胎底部并具有最大预期变形时。 

天线被设计和优化为扁平结构，最初粘附在未变形的轮胎内衬上。然后我们可以将变形矢量应用于整个轮胎组件以及天线，以生成完全变形的被测设备。 

第2步：电磁仿真 

变形组件可以直接带入进行常规电磁仿真设置的电磁仿真环境中。主要步骤将包括： 

• 分配适当的材料属性 
• 定义激励和边界条件 
• 设置求解器 
• 局部网格细化 

由于问题的性质是我们在相对较大的结构上安装了变形的薄板天线，因此我们选择使用我们市场领先的传输线矩阵 (TLM) 求解器。然后，我们可以轻松地在天线附近应用非常精细的网格，其中需要这种分辨率来精确地对几何图形进行网格划分，同时自动降低距离天线越远的网格保真度。生成的网格有 2500 万个单元，为了有效运行模拟，我们充分利用云计算和 GPU 加速，我们的时域求解器可以利用它们来显着减少模拟时间。 

第 3 步：流程自动化 

现在结构模拟和电磁模拟都已经完全设置和测试，我们可以对轮胎进行多物理场设计。我们可以使用 Process Composer 来耦合两个物理场并执行自动参数扫描以模拟每个可能的旋转角度，以确保天线在所有情况下都能正常工作，而不是分析一个轮胎旋转角度的组件。
 

使用 SIMULIA CST Studio 套件推动成功 

在设计天线时，SIMULIA CST Studio Suite提供了一系列仿真工具，可以对天线的电磁行为进行建模并优化其性能。主要能力包括： 

• 多物理场仿真：对天线的电磁和机械行为进行建模，以模拟天线在各种机械负载下的变形和应力分布，例如轮胎在不同驾驶条件下的变形。这使得工程师能够优化天线的机械设计并确保其可靠性和耐用性。 
• 有限元法 (FEM)：模拟天线周围的电磁场分布并预测其辐射方向图。这使得工程师能够优化天线的形状和尺寸，以实现所需的性能。 
• 矩量法 (MoM)：模拟存在其他导电结构（例如车身）时天线的电磁行为。这有助于工程师确保天线不受系统中其他组件的干扰影响。 
• 设计和优化：除了仿真工具外，CST Studio Suite 还提供一系列设计和优化工具，例如参数扫描、优化算法和实验设计 (DoE)。这些工具使工程师能够探索不同的设计选项并确定天线的最佳设计参数。 
• 后处理：分析仿真结果并可视化天线的电磁和机械行为，并生成可能相关的各种输出。这包括 3D 可视化工具，例如场覆盖和剖切面，使工程师能够可视化天线的辐射方向图和场分布。这有助于工程师了解天线的性能并识别潜在问题。 

• 过程自动化： CST Studio Suite 可以帮助进行结构仿真和电磁仿真，以帮助执行耦合的多物理场实验设计。 Process Composer 等工具可以分析两者的物理原理，并完成每个旋转角度的参数扫描，以确保天线在所有情况下都能正常工作。 

结论 

总之，轮胎工程电磁结构天线的设计是一项复杂的任务，需要强大的仿真环境。 CST Studio Suite 提供一系列仿真、设计和优化工具，使工程师能够优化天线性能，同时考虑轮胎的限制。这使得智能互联车辆的开发能够与外部设备进行无线通信，从而形成更加互联和高效的交通系统。 

轮胎制造商在加速创新、增加产量和降低开发成本方面面临着许多挑战。轮胎制造商面临的其他挑战包括： 

• 部门之间缺乏协作以及数据和流程的可追溯性 
• 抓地力、磨损和滚动阻力之间的权衡。 

• 预测低温和高温下轮胎性能的问题。 

然而，借助3DEXPERIENCE 平台上的集成轮胎工程解决方案，可以优化湿地、耐磨性和滚动阻力这三个点。 

3DEXPERIENCE 平台如何推动先进轮胎工程？ 

• 简化轮胎设计和仿真： 3DEXPERIENCE 平台在单一环境中提供完整的端到端设计和仿真流程，以满足制造要求。通过利用市场和客户的要求以及过去的测试和模拟历史，工程人员可以虚拟地创建轮胎横截面布局并设计所需的胎面花纹。 
• 通过高级模拟增强轮胎性能：可以进行多次高级模拟，以确保满足客户的期望。这种高保真模拟可以测试轮胎性能的几乎各个方面，包括牵引力、磨损、湿地抓地力、阻力、噪音和舒适度。最重要的是，通过在同一环境中提供设计和仿真，3DEXPERIENCE 平台提供跨学科的连续性和可追溯性，并在更短的时间内提供更多的验证周期。 

• 利用 3DEXPERIENCE 平台的快速性能评估加速轮胎创新：通过 3DEXPERIENCE 平台上的轮胎工程，制造商可以设计和测试符合市场确切规格的轮胎，并在数小时（而不是数周）内收到性能评估。这种速度和准确性对于满足不断增长的轮胎需求至关重要，以满足驾驶员和车辆不断变化的需求。 
• 通过耐磨性优化最大限度地延长轮胎使用寿命：轮胎性能的另一个关键因素是耐磨性。轮胎必须能够承受日常磨损并随着时间的推移保持其性能。通过模拟轮胎随时间的磨损情况，工程师可以优化轮胎设计，以提供最大的耐磨性，减少频繁更换的需要并延长轮胎的使用寿命。 
• 通过滚动阻力优化减少环境影响：最后，滚动阻力是轮胎性能的另一个关键因素。滚动阻力是指轮胎前进所需的能量，减少滚动阻力可以提高燃油效率并减少排放。通过优化轮胎设计以最大限度地减少滚动阻力，轮胎制造商可以生产出具有更高燃油效率的轮胎，从而减少驾驶对环境的影响。 

其他好处包括： 

• 先进的模拟解决方案： 

• • 用于评估轮胎打滑性能的流固耦合（Abaqus – XFlow联合仿真） 
  • 使用Power FLOW计算空气动力阻力的空气动力学模拟 
  • 使用SimPack和Dymola进行车辆系统动力学 

• 全自动流程，通过实验设计 (DOE) 轻松探索设计空间 
• 高级模拟支持遵循 SAE J1987、SAE J2704、SAE J2710、SAE J2717 等 SAE 标准的轮胎测试。 

结论 

总之，3DEXPERIENCE 平台上的轮胎工程为轮胎设计、模拟和测试提供了一套全面的工具和应用程序。通过模拟各种条件和环境下的轮胎性能，工程师可以优化轮胎设计，以满足驾驶员和车辆的特定需求。通过在同一环境中提供结构和模拟，3DEXPERIENCE 平台提供了跨学科的速度、准确性和可追溯性，使制造商能够满足对性能更好的轮胎不断增长的需求。 3DEXPERIENCE 平台使轮胎制造商能够留在竞争中并提供符合市场规格的轮胎。