近年来，对智能网联汽车的需求带动了汽车工程创新解决方案的发展。其中一种解决方案是使用集成到轮胎中的电磁 (EM) 结构天线，从而实现车辆与外部设备之间的通信。
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。
