輪胎的服務化 對於許多輪胎廠來說，他們不再滿足於每年固定販售給客戶新的輪胎組，他們更傾向於把這門生意轉化為一種顧客服務。輪胎業者不再只是坐等客戶每年在某些特定的時程上，上門進行輪胎更新、維護，反而是主動監測每一個輪胎的狀態，一有損壞發生就馬上地把訊息同步給客戶，並讓其即時進廠維護。這樣的運營模式完全地顛覆了過往每年一個特定日期才和客戶接觸的作法。這樣的作法看似客製化且直觀，但其背後卻需要非常強大的科技資源。工程師需要在輪胎周遭設置不同功能的感測器，時刻監測、記錄著行車時間、胎壓和負重。我們希望即時將感測到的資訊傳輸到人的眼前，然而有線傳輸顯然非常不適合運用在不斷滾動的輪胎上。工程師策略性地將無線天線設計在輪胎中，並讓天線以非侵入性方式進行資料採集。這些資料可以被上傳至雲端、顯示在手持式行動裝置和同步到出現頻率極高的連鎖加油站。 圖1.輪胎模擬分析 面臨的挑戰 我們很清楚輪胎是一種長時間承受重量、壓力的產品，它需要面對數千萬里的里程數和各樣惡劣的天候。上述各樣的情境背後都有著複雜的物理意涵，若想精確地預測輪胎的壽命，和其中天線的各樣效應，全然仰賴實驗則難度極大。綜合以上觀點，多重物理分析將在設計上扮演了重要角色。 輪胎構造 如果您以為輪胎就只是一個填充著空氣的橡膠甜甜圈，然後它就可以旅行數千里之遠了話，這顯然是一個錯誤的想像。輪胎是一種精密且複雜的環形層狀結構，其由例如:尼龍、鋼織材料和多種複合橡膠等材料構成(如下圖)。 圖2.輪胎模擬分析 想考慮在如此複雜之結構中把天線設計到最佳的位置，工程師勢必要考慮到許多物理特性，並且要把許多複雜的結構納入模擬分析。舉個例子，胎內天線常常被設計在緊貼輪胎內側側壁的位置，然而許多卡車的輪胎側壁是由鋼材構成，這主要是為了增加輪胎強度。這些鋼材會屏蔽天線的訊號，因此工程師透過模擬可以很好地預測並解決此類問題。我們可以從頭開始建置一個天線，但是更有效率的作法其實是使用Antenna Magus這套軟體，它內建了350種不同的天線結構。藉由調整內建模型，可以從該軟體衍伸出數不清的應用。工程師可以對該天線進行輕量化分析，並預估其效能。您可以更便利地找到適合專案頻段、封裝結構的天線模組。以這個專案而言，符合800 ~ 1000 kHz的頻段，且可以被折彎的天線，就會非常適合，這樣的天線可以很容易在Antenna Magus中被檢索。 模擬情境 輪胎承受著巨大的壓力，若不常規性地檢測輪胎，其很容易在觸地處發生變形(如下圖)。這樣的變形很有可能會讓胎內天線也連帶變形，嚴重地影響天線壽命和其效能。 圖3.輪胎模擬分析 3DEXPERIENCE平台上的Tire Analysis Engineer Role可以分析此種議題的極端情況，像是胎內天線被旋轉至最接近地面的時候，此種狀態無疑讓天線承受著最大的壓力和呈現最大的變形。最初我們的設計為把扁平的天線結構沾黏在未變形的胎內氣密層上，接著我們於模擬上給予整個組立件形變，並進行分析。 電磁分析 工程師需要在電磁分析前設定好材料的電磁係數、激發源、邊界條件、求解器和網格。天線是精密的薄片結構，其和整個輪台模型有著一定的尺寸差異，因此我們可以選用領銜業界的transmission line matrix (TLM) solver進行求解，其特殊的網格定義可以讓我們在天線的周遭處很方便地切分出細緻的網格。本專案總計切分出兩千五百萬個網格，在時域(Time Domain)下透過雲端運和GPU加速可以大大地縮減運算時間，提升計算效率。CST Studio Suite (CST)有著強大的後處理引擎，它能輸出各樣的物理資料，例如和天線效能相關的散射參數(Scattering Parameters)和遠場指向性(Farfield Directivity)等。此外，工程師也關注多遠的距離，是胎內資料可以傳輸到手持裝置和加油站的極限值，CST也可以很清楚地呈現之。 自動化過程 既然結構結構和電磁分析都已經被完成，這兩個物理特性的耦合就變成下一步我們關注的目標。我們可以使用Process Composer將兩物理量耦合起來，參數掃描輪台每一個可能的旋轉角度，並分析出結果。這樣的目的是為了要確保在每一個輪胎旋轉角度之下，胎內天線都要能夠正常工作。 壽命預測 最後一個議題是疲勞破壞，如同前面討論到輪胎組會長時間承受負載，現在我們把物理狀態的時間拉長來分析(如下圖)。彎曲天線(Meander Antenna)的結構非常容易受制於疲勞破壞的問題，每一次有坑洞對輪胎造成衝擊，都存在著機會造成金屬破裂，這些破裂會隨著時間週期不斷加劇，最終導致天線失去功能。 圖4.輪胎模擬分析 結論 整個分析的流程高度依賴建模和多重物理分析的結合，其結果也讓我們可以清楚地了解在不同的設計參數下，負載對整個系統性能的影響。透過多重物理場分析，我們可以仔細地評估結構變形對於天線電磁性能之影響。綜合以上我們可以在相對短的時間內徹底地了解產品，並有效率地優化設計。 關鍵字：cst、天線、輪胎