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高度整合的工作流程，為參數化 CAD 與高擬真多物理場模擬之間建立關聯性（associativity），以便更好地理解輪胎構造。
對於特定類型的客戶，輪胎製造商正逐漸脫離僅僅每年銷售一組新輪胎的傳統模式。許多大型車隊供應商開始採用「輪胎即服務（Tire as a Service）」。這對一個歷史上通常僅與客戶有單一接觸點的老牌產業而言，是一次重大的轉型。
輪胎即服務(Tire as a Service)：與其只是銷售硬體，輪胎 OEM 現在銷售的是移動性的可用時間（mobility uptime）。為了讓這個模式高效且有價值，輪胎的更換不再依循固定時程（例如每 12 個月），而是根據實際磨耗情況來決定。
這個新的商業模式需要持續監測每一條輪胎的健康狀態。蒐集所有這些資訊，構成決策的基礎。各種感測器可以放置在輪胎內部與周圍，用以量測例如運轉時間、胎壓與瞬態載荷。為了讀取這些資料，無線通訊是必要的，因為在實務上為輪胎拉設訊號線既不切實際，也不可行。一個策略性地安裝在輪胎內側的天線，能讓資料快速且非侵入式地被收集。每當車輛經過手持式讀取裝置的人員，或經過設置在例如高流量加油站的固定讀取站時，資料便會從輪胎傳送至雲端以進行持續分析。
問題
輪胎在持續載荷與顯著應力下運作；它們必須能夠在各種道路品質、各類氣候條件下行駛數萬英里並保持壽命。要精準預測一條輪胎——以及在我們案例中安裝其中的天線——的壽命，幾乎不可能僅透過實體測試來達成。這正是高擬真且緊密耦合的多物理場模擬發揮作用的地方。
輪胎拓樸
輪胎並不是——如人們最初可能以為的——只是一個每隔幾千英里就需要打氣的橡膠甜甜圈。它的結構是一個高度複雜的多層組件。所有這些夾層由不同材料組成，例如尼龍、鋼絲網以及不同型態的橡膠。為了進行詳細的多物理場模擬，需要一個能反映這種複雜性的精準虛擬模型。此外，還要加入我們希望評估其運作與效能的天線。
天線通常只是黏貼在輪胎側壁的內側；然而，對於卡車輪胎，由於側壁常以鋼製側壁強化，天線必須在製造過程中被嵌入輪胎，以避免被困在法拉第籠內。
天線可以從零開始設計（依據例如資料表），或從 Antenna Magus 中選擇。Antenna Magus 是一個互動式型錄，包含超過 350 種不同的天線拓樸，涵蓋無數應用；在其中我們可以直接調整特定天線，並對其預期效能與天線特性進行輕量化分析。此型錄可以依據使用案例、頻率範圍或封裝限制等條件輕鬆篩選，快速將設計空間縮小為可管理的天線候選集合，進而適用於特定應用。在我們的案例中，我們需要一個工作於 800 至 1000 kHz 頻率範圍的平面天線；因此我們選擇了一個合適的彎折線（meander）天線來用於此類使用情境。
模擬情境
輪胎在其整個使用壽命中承受顯著的應力。如果胎壓未被定期檢查，很可能會偏低，並在接觸地面的區域產生變形。若是如此，安裝的天線也會隨之變形。這種變形可能對天線的直接效能與功能以及其壽命產生重大影響。
由於我們擁有包含已安裝天線的完整輪胎組件虛擬孿生（virtual twin），因此將使用 3DEXPERIENCE 平台上的 Tire Analysis Engineer Role，在最嚴苛載荷情況下進行分析，也就是當輪胎旋轉使天線位於輪胎底部、承受最大預期變形時。
天線最初被設計並最佳化為平面結構，並黏貼在未變形的輪胎內襯上。接著我們可以將變形向量同時施加於完整輪胎組件與天線，以生成完全變形的待測裝置。
電磁分析
變形後的組件可直接匯入電磁模擬環境，在其中進行標準的電磁模擬設置。主要步驟包括：為複雜的輪胎組件與天線指派合適的材料屬性；定義激發源與邊界條件；設置求解器；以及進行局部網格細化。
由於此問題的特性是：在相對大型結構上有一個變形的薄板天線，因此我們選擇使用業界領先的傳輸線矩陣（TLM）求解器。由於其採用八叉樹網格（octree mesh），我們可以在天線周圍輕鬆施加非常細緻的網格（該區域需要高解析度以精準網格化幾何），而在遠離天線的地方則自動降低網格精細度。結果網格包含 2500 萬個單元，為了高效執行模擬，我們充分利用雲端運算與GPU 加速，而我們的時域求解器能夠顯著縮短模擬時間。
CST Studio Suite 強大的後處理引擎可產生各種相關的輸出。在此案例中，除了天線相關的常見 KPI（例如散射參數與遠場方向性），我們還可能關注輪胎與手持式讀取裝置或前述讀取站之間，仍能成功通訊的讀取距離。這些都能輕鬆設定並加以視覺化。
流程自動化
現在，結構模擬與電磁模擬均已完成設定與測試，我們希望進行緊密耦合的多物理場設計實驗。與其只分析輪胎在單一旋轉角度下的組件，我們可以使用 Process Composer 來耦合這兩種物理場，並進行參數掃描（parameter sweep），涵蓋每一個可能的旋轉角度，以確保天線在所有情況下都能良好運作。
壽命
最後談談疲勞問題。如前所述，輪胎組件將在長時間下承受載荷。彎折線天線的精細結構對疲勞問題特別敏感。每一次車輛碾過坑洞，都可能在金屬結構中造成裂縫，並隨時間逐漸擴展，直到天線最終斷裂並失效。疲勞分析有助於預測結構在失效前能夠存活的循環次數與時間。這將是決定輪胎更換排程的重要指標。詳細的遙測資訊將協助 OEM 在逐案基礎上為每一條輪胎做出明智決策。
總結
總而言之，這個高度整合的 MODSIM 工作流程，建立了參數化 CAD 與高擬真多物理場模擬之間的關聯性。這使我們能在真實載荷條件下，對不同設計參數與其對系統效能的影響，達成前所未有的理解。由於 CAD 為下游模擬提供了單一真實來源（single source of truth），我們能夠進行緊密耦合的多物理場分析，並評估結構變形對安裝天線之電磁效能的影響。所有這些最終匯聚為：對產品有更深入的理解，並在顯著縮短的時間內完成最佳化設計。
原文轉載來自: Chris Jones – Structural Antenna Engineering for Tires
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