輪胎結構設計作為輪胎產品開發過程中非常重要的一個環節，高質量的設計直接影響到產品性能、產品交付周期、以及研發成本。全球輪胎行業的頭部企業早已將數字化的結構設計和仿真、設計仿真一體化應用到輪胎產品研發過程中，極大的提高了產品開發周期降低產品開發成本以及標準化的企業設計知識、仿真知識的管控和重用，極大程度的提高了產品性能穩定性和一致性。

我們將正向結構設計體系分為4個等級。

 

圖1 輪胎正向設計體系的4個等級劃分

 

結構設計

L1:目前大多數國內輪胎企業所處等級位置，逆向流程是通過將市場上表現比較好的競品輪胎作為標桿進行解剖分析，雖然在前期企業發展中有著較快的實現新產品交付的優勢，但隨著企業的發展不能長久支撐企業自主研發水平的支撐，因此隨著企業研發的發展就需要歸納總結經驗形成自己的產品設計體系，因此大部分中國輪胎的頭部企業經過多年積累已進入L2階段。

L2：企業根據多年的經驗積累，將產品設計方法標準化，應用CATIA知識工程模塊將幾何標準化的設計方法固化，形成用參數表達的幾何特征，這樣這些標準化的設計方法就能得到固化，那么不管什么水平的工程師都按照企業最佳實踐的統一設計方法進行產品設計。

 

圖2 輪胎設計幾何標準化

 

L3：將產品設計過程通過流程固化，并應用產品設計準則驅動產品設計，通過CATIA EKL語言將產品設計的邏輯關系判斷植入設計流程中，通過產品設計的企業知識驅動設計，這一等級的產品設計對企業的產品設計標準有著更高的要求，需要企業具備完整的產品設計體系，并且能夠具備落地平臺實現知識驅動設計的要求。

 

輪胎設計，如果按照學科來劃分主要分為：

• 外觀設計，含花紋設計、側板設計及胎側修飾線設計。
• 輪胎結構設計，含外輪廓設計和內部結構設計。
• 性能仿真，含花紋性能仿真如噪聲、剛度、濕滑等，結構仿真如：接地印痕、剛度、耐久、滾阻等。及動力學仿真。
• 模具工程圖，因為中國大部分輪胎企業的模具加工都是外協的，因此目前都是提供二維工程圖給模具公司，模具公司負責模具的設計。
• 施工設計，即實現成品結構設計的工程設計如：口型板、各半部件的設計。

 

圖3 輪胎設計流程

 

如果按照產品線規劃的嚴謹性和產品性能目標穩定性，輪胎產品的設計應該按照專業劃分角色。通常我們的輪胎企業是按規格劃分負責人的，一個工程師負責這個規格即做花紋設計也做結構設計，那么在花紋擴展的時候，首規格到擴展規格是不同的人負責，就很難將首規格的設計理念有效的傳遞到擴展規格，從而導致同一款花紋在不同規格上花紋性能表現差異很大。

 

• 輪胎外觀設計師，主要負責花紋設計，其職責是保證產品系列的外觀和花紋性能一致性。他負責一款花紋的首規格設計及花紋擴展。
• 輪胎結構設計師，主要針對輪胎外輪廓和內部結構設計，保證結構性能的一致性。
• 仿真工程師，主要負責仿真知識庫建立、仿真新項目研究，開發自動化的仿真供輪胎外觀設計師和結構設計師使用。
• 模具工程師，將設計結構整個與模具廠溝通模具加工工藝，保證模具質量。
• 設計主管：主要對產品設計中的各項性能評估和把關。

 

圖4 輪胎設計角色劃分

 

01花紋設計

應用CATIA知識工程將設計的核心要素固化成模板，這樣保證重點知識的有效應用及花紋性能一致性，通過CATIA參數化設計及擴展提高設計效率，并集成花紋性能仿真的工具到平臺里，實現邊設計邊仿真邊優化，大幅提高產品設計的效率。

 

圖5 花紋參數化設計

 

 圖6 花紋擴展及系列化管理

  

 

02結構設計

輪胎的胎體輪廓就如人體的脊椎，它決定了輪胎的各項重要性能，正向的輪胎結構設計應該從胎體的設計開始，知名的輪胎企業都有自己的胎體設計理論，如大家熟知的：平衡輪廓理論、不平衡輪廓理論，這些企業都將知己的設計理論通關CATIA進行固化和加密，在設計初期根據給定的關鍵參數如：規格、負荷指數、速度級別、外直徑、斷面寬等初步計算出胎體輪廓，在根據企業知識設計外輪廓使胎體和外輪廓匹配達到設計要求。然后再根據外輪廓和胎體輪廓設計內部結構如：帶束層、胎圈、三角膠、胎側等部件。

 

圖7 輪胎外輪廓參數化設計

 

圖8 輪胎內部結構設計

 

03產品線管理

 

正向的產品設計體系，產品線規劃是重中之重，國內大部分輪胎企業因為太多的個性化設計或主機廠特殊要求沒有整合導致產品線管理混亂造成制造復制度增加、制造成本居高不下，同時導致產質量穩定性差；反觀國際知名輪胎企業，產品線清晰、簡單，性能和質量都非常穩定。

產品線規劃每個企業可根據自己的市場目標和性能要求劃分，分為結構性能和花紋性能，然后根據二者組合將自己產品線組合出來，應用CATIA的模塊化設計將產品線有序管理起來。

 

圖9 輪胎結構系列化管理

 

圖10 輪胎產品線管理

 

結構仿真

L1：正向結構設計體系的形成離不開完善的正向仿真體系的支撐，正向設計體系中，仿真體系的建設是不可或缺的一部分，首先建立自主的仿真能力，是我們正向仿真體系的基礎，需要建立企業的材料本構模型、網格模型。

 

1. 掌握輪胎非線性分析軟件功能原理、網格劃分原理、材料本構模型建立方法學、仿真、實測標定的原理等。
2. 重點針對常規FEA仿真：接地印痕、壓力分布、剛度、帶束層、胎體端部橡膠應變能密度、下沉量等常規分析進行網格劃分原理、材料本構模型建立方法學、仿真、實測標定的原理的研究。

 

L2: 設計仿真一體化：輪胎企業在L1基礎知識和方法掌握的基礎上，需要將我們的知識標準化，建立標準的正向仿真知識庫：

 

1. 建立常規FEA分析的網格標準
2. 建立常規FEA分析的本構模型庫
3. 建立標準的常規FEA分析的標準流程
4. 建立常規FEA分析的標準報告。

基于已建立的標準，建立常規FEA仿真自動化，提高分析效率和統一的分析標準，主要目的是降低仿真分析過程中人為因素導致的分析偏差和釋放仿真人員的重復勞動，使得仿真人員能夠集中精力放在研究上。

 

1. 基于第二步形成的標準，建立自動網格劃分
2. 基于第二步形成的標準流程，建立常規FEA的自動仿真分析流程
3. 基于第二步的標準報告，建立自動的后處理和自動輸出報告

 

圖11 自動仿真流程

 

圖12 自動網格

 

圖13 自動后處理

 

L3: 在設計參數化和仿真自動化的基礎上，應用Isight進行產品優化設計，產品優化設計是根據目標要求通過仿真手段驅動產品的結構設計，比如：一個產品設計要求產品的矩形率大于90%，設定這個設計目標通過自動化的仿真和參數化的結構設計用仿真驅動參數優化最終經過迭代達到設計目的，目前國際上頭部的輪胎企業大部分已實現L3，國內也有少數的頭部企業實現這一等級。

L4:前面講的3個等級都是通過工程學角度來實現產品設計和優化的，L4是在整個設計體系都已經形成數字化的基礎上，通過數據科學的維度來指導設計，眾所周知，數據科學的應用對數據的連續性和樣本數量有著較高的要求，只有實現以上三個等級的建設才能真正的實現數據科學的應用，所以L4的維度不同、要求也更高。

 

圖14 數據科學應用

 

這些年來我國的輪胎企業不管在市場份額、研發投入、技術還是工藝上都有非常大的提升，但與國際知名的輪胎企業來比我們仍處于發展的初期階段，正向研發體系的轉型是當下我們面臨的重要挑戰，只有研發成體系、產品管理有序才能保證產品質量一致性及降低制造復雜度，先進工具的應用才能保證知識的傳承和迭代，使得企業發展恒久長遠。