基于广义参数化的轮胎数字化设计方法与流程

本发明涉及一种基于广义参数化的轮胎数字化设计方法，该方法涵盖轮胎结构、配方与制造工艺的全设计周期，属于机械制造与计算机信息领域。

背景技术：

在轮胎设计与制造领域，普遍地基于二维或三维软件进行产品参数化设计。参数化方法本质是基于约束的产品描述方法，在整个设计过程中通过约束规定、约束变换求解过程以及约束评估过程的求解获得具有参数集合的产品。参数化研究最早可以追溯到20世纪60年代，sutherland在其开发的sketchpad系统中，首次将几何约束表示为非线性方程组来确定二维几何形体的位置。后续的研究工作大多是在sutherland等的研究基础上开展的。参数化设计技术在解决二维绘图以及三维造型建模的问题上表现出很大的优势，如国外的autocad、ug、pro/engineer以及catia等二维、三维软件。

目前参数化设计都属于狭义产品参数化，即针对轮胎的某个设计环节进行产品的参数化管理。主要包括以下两种：一种是数字化模型开发三维设计平台，即针对轮胎产品的结构特征属性，诸如纵沟胎纹、横沟胎纹、纵横胎纹和块状胎纹的基本胎纹，在花纹结构设计阶段将约束花纹形状的参数进行统一管理，通过调整花纹约束参数实施调整花纹样式的设计。该方法具备各零部件之间建模设计任务的拆分，同时又保证参数之间的关联，使更多的人员能够协同设计。实施该方法的系统整体架构，包括需求表示模块、需求分析预处理模块、产品清单生成模块、产品清单造型模块和产品需求检验模块，附加的辅助系统包括轮胎知识库和轮胎零件库。

另一种如以下在先申请专利，申请号为cn201610371330.0，申请名称为一种子午线轮胎半成品部件设计方法。该方法将轮胎设计材料分布图分为3个子系统进行逆向设计，包括胎面子系统、胎体组子系统和三角胶子系统。逆向设计边界条件与成型过程相反，根据理论设计材料分布，逆向推出各半成品部件的材料分布。应用该方法可对半成品部件进行针对性设计，使各半成品部件成型后的形状与理论材料分布相吻合。

上述狭义产品参数化设计方法，尽管在局部花纹样式和半成品结构与材料分布设计上具有突出的特点，但其局限性与缺陷也较为显著。即狭义产品参数化设计是通过局部修改产品的参数，获得的效果是局部影响产品部件的样式或结构。但是此类局部设计要素的变化，无法追溯至对整个产品的影响，产品设计人员无法确定局部参数的修订对于产品整体性能的影响。

有鉴于此，特提出本专利申请。

技术实现要素：

本发明所述基于广义参数化的轮胎数字化设计方法，在于解决上述现有技术问题而基于广义参数化实施全周期产品设计，以变量参数的产品几何模型为基础，在工程约束下驱动参数序列的变动，以实现不同层次和粒度的模型更新。该方法在设计过程中融合设计知识与规则，从而替代大量的重复性设计与绘图过程。

轮胎产品的设计蕴涵不同层次、形式的知识处理过程，是设计对象从抽象到具体的过程，该过程中施加了不同形式的工程约束，同时这些工程约束随着产品的进化而映射与继承，上层的工程约束将成为下层的装配约束或尺寸约束。

广义参数化设计是一个基于设计约束与知识的进化过程，是三维甚至多维设计空间的映像。广义参数化设计对象不仅限于二维或三维的几何零部件实体结构，而是针对整个产品以及产品设计知识、设计约束的一种广泛程度上的设计集成。其中，广义参数是一种具有广义工程语义的变量，其封装了下层几何参数信息和上层非几何属性信息，体现了特征、零件、部件和产品的抽象与包含。其可以是几何参数或特征参数，也可以是功能参数，满足了产品设计自上向下、自底而上两个互逆的过程。

本申请的目的是基于广义参数化、通过不同形式、不同参数和不同特征的数字化管理实现一种新型的轮胎数字化管理模型与设计方法。

所述的轮胎数字化管理模型，包括产品的几何参数信息和非几何参数信息，主要包括有以下四层模型，即尺寸特征参数数字模型、理论性能参数数字模型、零部件参数数字模型和加工工艺参数数字模型。

在创建数字化管理模型时，需定义相关的设计规则和约束，使得产品设计人员可以通过数字化参数的修改来驱动整个轮胎产品的数字化模型更新。

同时，可以根据设计规则控制设计过程的进行，避免错误的变更和重复劳动。其中，重要的是建立各个层次数字化参数模型中不同层参数之间的关联关系，所述的关联关系主要分为继承和映射两种，继承是指下游设计环节从上游设计环节所引用的数字参数；映射则是指基于以往经验数据，所创建的新的设计参数。

综上，所述基于广义参数化的轮胎数字化设计方法具有的优点与有益效果：

1、实现历史设计数据的重复使用。通过结构化的产品参数设计与存储，可以将历史设计的产品数据作为模板，进行新的产品设计，在设计源头保证产品的各项性能稳定。

2、实现产品参数变更的验证。通过引入理论性能校核模型，产品设计的任何一个阶段的参数发生变化，都可通过理论计算的手段计算校核，保证产品设计变更稳定。

3、缩短产品迭代周期。可较显著地缩短产品的迭代周期，针对各种特殊产品开发需求，设计人员只需要合理调整与校核产品参数，即可实现产品的迭代。

附图说明

现结合以下附图来进一步地进行说明。

图1是轮胎产品数字化管理模型的结构示意图；

图2是轮胎产品数字化设计流程示意图；

图3是成品轮胎数据数字化模型示意图(灰色图框表示的是增量特征/部件/工艺参数)；

图4是成品轮胎外轮廓曲线示意图；

图5是成品轮胎材料分布图曲线示意图；

图6是成品轮胎有限元模型示意图；

图7是胎面有效体积分布数字模型示意图；

图8是胎面胶部件截面示意图；

图9是轮胎花纹特征参数模型示意图；

图10是花纹性能分析数字模型示意图。

具体实施方式

现结合附图进一步地具体说明本申请的实施例。

实施例1，如图1所示，所述轮胎数字化管理模型，主要包括尺寸特征参数数字模型、理论性能参数数字模型、零部件参数数字模型和加工工艺参数数字模型。其中，

尺寸特征参数数字模型，是基于二维/三维设计软件，进行轮胎的外轮廓、材料分布图、花纹的参数化设计，通过数据库存储所有设计参数；

理论性能参数数字模型，是通过建立数学模型，并不断地使用轮胎实际性能测试结果进行优化的数学模型，最终建立一整套的结构、花纹、胶料性能评价机制，通过数据库存储所有的理论计算结果；

零部件参数数字模型，主要分为两个参数层：一个是轮胎的原材料组成，包含原材料的种类及组分；另一个是轮胎的半成品部件的参数，包含部件的尺寸参数、属性参数(诸如密度、传热率等信息)；

加工工艺参数数字模型，存储有涉及轮胎加工整个过程的所有工艺参数，包含胶料混炼参数(如温度、压强、密炼机动作等)、压出参数(如转速、挤出机动作等)、裁断参数(如输送带速率、裁断角度等)、成型参数(如成型鼓平宽等)、硫化参数(如硫化温度、硫化机动作等)。

如图2所示，所述轮胎数字化设计方法具有以下实施流程：

步骤1)，轮胎外轮廓设计

在外轮廓模块1中，通过二次开发cad(computeraideddesign，下同)计算机辅助设计软件通过建立成品轮胎外轮廓尺寸特征参数数字模型，实现成品轮胎的外轮廓曲线的创建。结合图4所示，外轮廓尺寸特征数字模型包括胎面曲线、胎侧曲线、胎圈曲线合计3部分的尺寸参数及约束规则，实现外轮廓设计参数的数据存储与流转。

步骤2)，并行设计轮胎花纹和材料分布图

如流程①所示，外轮廓设计参数流转至花纹参数模块2和材料分布图模块3。在花纹参数模块2中，基于花纹特征参数模型进行轮胎花纹特征的设计，如图9所示，以存储轮胎花纹特征的约束参数；在材料分布图模块3中，通过建立成品轮胎材料分布特征参数数字模型，实现成品轮胎的材料分布曲线的创建。结合图5所示。材料分布尺寸特征数字模型在外轮廓尺寸特征数字模型的基础上，增加了带束层曲线、冠带层曲线、胎体曲线、内衬层曲线、三角胶曲线、钢圈曲线的尺寸参数及约束原则。通过二次开发cad计算机辅助设计软件，将材料分布图的绘图方法进行参数化、程序化，实现材料分布图设计参数的数据存储与流转。

步骤3)，花纹性能设计

在花纹参数设计完成后，花纹特征参数流转至花纹性能模块4，如流程②所示。通过建立数学分析模型，如图10所示，进行轮胎花纹性能分析与校核，如湿地抓地力、滚动阻力、噪声等。花纹性能设计结果如果不理想，可以反馈至前序环节再次进行花纹参数特征修改；若花纹性能结果较为理想，则花纹特征设计通过。在此，完成成品轮胎的花纹结构特征数字模型的构建。

步骤4)，材料分布图设计

在材料分布图参数设计完成后，设计参数流转至结构性能模块5进行轮胎结构性能分析与校核，如流程③所示。

结合图6所示，在结构性能模块5建立轮胎有限元仿真模型。结构性能模块5需要胶料性能模块6的胶料性能参数的输入，通过流程⑤、流程⑥，将原材料参数数字模型和胶料混炼工艺数字模型流转至胶料性能模块6，以生成胶料性能参数数字模型。

结构性能模块5还需引入有限元仿真分析模型，如图6所示。产品轮胎有限元模型是一种性能参数数字模型，除具备步骤1)、步骤2)中的所有参数信息外，还涵盖了成品轮胎胶料性能参数信息。通过结构性能模块5进行成品轮胎的各项性能(外缘尺寸、静负荷、滚动阻力、脱圈阻力、操控性能、模态特性)分析与校核，分析结果可以直接反馈至步骤1)和步骤2)，进行各结构参数的调整与优化。

在结构性能模块5中，如流程④所示。若结构性能参数设计结果若不理想，可反馈至前序环节再次进行材料分布图参数修改；若结构性能参数设计结果理想，则材料分布图设计得以通过。

步骤5)，胶料配方设计

在原材料参数模块8中录入原材料的参数属性，以原材料bom(billofmaterial，下同)的形式将参数数据流转至混炼工艺模块10，在混炼工艺模块10完成材料的混炼工艺参数设计以完成实际胶料的加工与测试。相关测试数据流转至胶料性能模块6，用于评价胶料性能是否满足要求。若胶料性能不满足要求，则重新进行胶料配方(原材料bom)的设计或者混炼工艺的设计；若胶料性能满足要求，则胶料配方(原材料bom)设计完成。

步骤6)，胎胚结构设计

材料分布图设计完成后，参数数据继续流转，如流程⑦所示。材料分布图参数数据流转至胎胚参数模块7，进行轮胎各组成部件的参数设计如胎面、胎侧、胎圈部件；

结合图7和图8所示，以轮胎胎面部件设计为例，从材料分布图模块3提取出轮胎胎面部件的理论数字模型，通过零部件参数转化模型生成轮胎胎面部件参数模型。

同理，可以通过提取材料分布特征其他参数，基于数字转化模型转化出成品轮胎所有组成部件的部件参数模型。

步骤7)，加工工艺参数设计

完成成品轮胎所有组成部件的特征参数设计后，材料分布图参数数据通过流程⑦流转至成型工艺模块9、硫化工艺模块13，进行轮胎成型与硫化施工的参数设计。通过指定加工设备的动作控制、压力控制、速率控制、温度控制参数，完成加工工艺参数模型的设计。

至此，完成成品轮胎整个成品轮胎胎胚及其组成部件的数字化设计。

综上内容，结合附图中给出的实施例仅是实现本申请设计目的的优选方案。对于所属领域技术人员来说可以据此得到启示，而直接推导出符合本申请设计构思的其他替代结构与方法，也应属于本发明所述的方案范围。