新闻稿
结构设计软件赋能轮胎制造企业,向新型工业化不断迈进
2024年02月05日

轮胎作为汽车的重要零部件,是发展汽车产业的基础。作为汽车产业重要配套产业的轮胎行业,与我国经济发展息息相关。近年来,我国轮胎工业实现快速增长,自2006年以来稳居世界最大轮胎生产国和橡胶消费国,轮胎产量约占世界总产量的四分之一。



一、轮胎市场发展现状分析


01、汽车轮胎产能整合优化加速,进入产能扩张期


我国轮胎制造企业众多,产能过剩,国外知名轮胎企业在中高端市场品牌优势明显,轮胎产品国际贸易和技术壁垒不断升级,轮胎行业面临日趋激烈的市场竞争。在这一行业背景下,国内胎企通过科技创新、智能制造、全球化布局等策略,精进产品质量、性能,优化产能,主动把握市场发展趋势。


在“双碳战略”背景下,随着社会环保意识不断提高,环保型汽车日益普及,推广绿色轮胎、实现产业升级成为中国轮胎产业的主要发展方向,轮胎产业将逐渐向绿色环保、可持续发展转型。


02、新能源汽车轮胎和航空轮胎或成新的增长点


全球汽车总销量增长缓慢,新能源汽车渗透率持续提升,新能源汽车的强劲发展势头为轮胎行业提供了良好的市场机遇。与此同时,全球部分国家也为新能源汽车行业提供补贴、减税政策等促进新能源汽车渗透率的提升。在全球零碳排放的趋势下,绿色产品将是主要发展方向。随着新能源汽车保有量以及渗透率的提高,也将对新能源汽车轮胎替换市场形成拉动作用。


航空轮胎由于高壁垒被国际巨头垄断,作为飞机的A类安全零部件,航空轮胎对安全性、可靠性的要求极高,因此航空轮胎的设计研发、生产制造、质量控制、适航认证等具有较高门槛。航空轮胎是飞机重要的A类安全零部件,根据自主安全可控原则,未来大飞机轮胎国产替代有望稳步推进,国内具备生产能力的优质胎企有望受益。据《2022上海科技进步报告》,截至2022年底,C919累计获得32家客户1035架订单。目前,订单数量已接近1200单,为我国航空轮胎需求提供强劲支撑。


03、我国已成为世界第一大轮胎生产国和轮胎出口国


从20世纪90年代开始,跨国轮胎企业纷纷通过建立区域工厂、并购或设立销售代理的方式进入以中国为主的亚洲市场。受全球轮胎产业向我国转移、国内市场需求持续增长等因素的影响,近年来我国轮胎行业生产规模快速扩张,2012年以来,我国轮胎产量保持在8亿条以上,我国已成为世界轮胎生产大国。


二、轮胎的行业分类


01、轮胎按结构分类


根据结构不同,分为子午线轮胎斜交轮胎。子午线轮胎胎体的帘线并排缠绕,胎体顶层包含两层及以上由钢丝编成的钢带,具有滚动阻力小、附着性能好、弹性大、缓冲力强、承载能力大、使用寿命长的特点,当前广泛应用于乘用车、商用车领域。斜交胎的胎体为斜线交叉的帘布层,胎侧、胎面强度更大,但舒适性较差,目前主要在航空胎、工程机械胎中保留部分应用。



02、轮胎按应用领域分类


根据应用领域不同,分为半钢胎和全钢胎。半钢胎主要应用于乘用车及轻卡领域,轮胎胎体骨架材料为纤维材料,其余骨架材料为钢丝材料,具有滚动阻力小、弹性大的特点;全钢胎主要应用于中重卡和中大型客车、工程机械领域,骨架材料均为钢丝材料,具有承载能力强、耐磨耐刺、制造成本较高的特点。



三、数字化轮胎工厂建设步骤和阶段


未来工厂的改造升级是基于原有的传统劳动密集型和资金密集型运营,稳定订单生产计划、生产管理模式和销售渠道模式,依托数字化、网络化转型升级,向无人化、系统化、智能化模式的发展。轮胎工厂数字化改造建设主要分为4个阶段。


(1)自动化向数字化发展。标准化改造升级传统设备,向数字化、智能化、信息化发展,建立数据采集和积累的底层架构。


(2)向网络化、系统化转变。改变原有信息传递交换处理模式,建立完善的工业互联网平台,工厂由人治时代向系统治时代跨越。


(3)管理向智能化和协同化发展。通过数据治理分析和多流程环境协同交互,完成工业数据中台到工业大脑的孵化,进入智能辅助决策和智能决策并行的阶段。


(4)产业互联贯通。融入上下游产业企业信息,以信息流为纽带,形成可复制的生产线发展新模式,推动数字化经济发展。



随着我国汽车行业特别是电动汽车的发展,对轮胎的升级换代速度在不断加快。子午线、无内胎、扁平化、抗湿滑、低滚动阻力等高性能轮胎,在轮胎中所占比例不断加大,轮胎行业对研发的重视和投入也在不断加大,中国的轮胎行业已开始从早先的逆向设计逐步向正向研发转型。


轮胎结构设计作为轮胎产品开发过程中非常重要的一个环节,高质量的设计直接影响到产品性能、产品交付周期、以及研发成本。全球轮胎行业的头部企业早已将数字化的结构设计和仿真、设计仿真一体化应用到轮胎产品研发过程中,极大的提高了产品开发周期降低产品开发成本以及标准化的企业设计知识、仿真知识的管控和重用,极大程度的提高了产品性能稳定性和一致性。


图1 轮胎设计流程


四、结构设计软件如何赋能轮胎制造企业?


企业根据多年的经验积累,将产品设计方法标准化,应用CATIA知识工程模块将几何标准化的设计方法固化,形成用参数表达的几何特征,这样这些标准化的设计方法就能得到固化,那么不管什么水平的工程师都按照企业最佳实践的统一设计方法进行产品设计。


图2 轮胎设计几何标准化


将产品设计过程通过流程固化,并应用产品设计准则驱动产品设计,通过CATIA EKL语言将产品设计的逻辑关系判断植入设计流程中,通过产品设计的企业知识驱动设计,这一等级的产品设计对企业的产品设计标准有着更高的要求,需要企业具备完整的产品设计体系,并且能够具备落地平台实现知识驱动设计的要求。


在设计参数化和仿真自动化的基础上,应用Isight进行产品优化设计,产品优化设计是根据目标要求通过仿真手段驱动产品的结构设计,比如:一个产品设计要求产品的矩形率大于90%,设定这个设计目标通过自动化的仿真和参数化的结构设计用仿真驱动参数优化最终经过迭代达到设计目的。


01、轮胎花纹设计


应用CATIA知识工程将设计的核心要素固化成模板,这样保证重点知识的有效应用及花纹性能一致性,通过CATIA参数化设计及扩展提高设计效率,并集成花纹性能仿真的工具到平台里,实现边设计边仿真边优化,大幅提高产品设计的效率。


图3 花纹参数化设计


图4 花纹扩展及系列化管理


02、轮胎结构设计


轮胎的胎体轮廓就如人体的脊椎,它决定了轮胎的各项重要性能,正向的轮胎结构设计应该从胎体的设计开始,知名的轮胎企业都有自己的胎体设计理论,如大家熟知的:平衡轮廓理论、不平衡轮廓理论,这些企业都将自己的设计理论通关CATIA进行固化和加密,在设计初期根据给定的关键参数如:规格、负荷指数、速度级别、外直径、断面宽等初步计算出胎体轮廓,再根据企业知识设计外轮廓使胎体和外轮廓匹配达到设计要求。然后再根据外轮廓和胎体轮廓设计内部结构如:带束层、胎圈、三角胶、胎侧等部件。


图5 轮胎外轮廓参数化设计



图6 轮胎内部结构设计


03、轮胎结构仿真


正向结构设计体系的形成离不开完善的正向仿真体系的支撑,正向设计体系中,仿真体系的建设是不可或缺的一部分,首先建立自主的仿真能力,是我们正向仿真体系的基础,需要建立企业的材料本构模型、网格模型。


掌握轮胎非线性分析软件功能原理、网格划分原理、材料本构模型建立方法学、仿真、实测标定的原理等。


重点针对常规FEA仿真:接地印痕、压力分布、刚度、带束层、胎体端部橡胶应变能密度、下沉量等常规分析进行网格划分原理、材料本构模型建立方法学、仿真、实测标定的原理的研究。


设计仿真一体化:轮胎企业在基础知识和方法掌握的基础上,需要将我们的知识标准化,建立标准的正向仿真知识库:


1、建立常规FEA分析的网格标准;

2、建立常规FEA分析的本构模型库;

3、建立标准的常规FEA分析的标准流程;

4、建立常规FEA分析的标准报告;

5、建立常规FEA分析的网格标准;

6、建立常规FEA分析的本构模型库;

7、建立标准的常规FEA分析的标准流程;

8、建立常规FEA分析的标准报告。


基于已建立的标准,建立常规FEA仿真自动化,提高分析效率和统一的分析标准,主要目的是降低仿真分析过程中人为因素导致的分析偏差和释放仿真人员的重复劳动,使得仿真人员能够集中精力放在研究上。


1、基于第二步形成的标准,建立自动网格划分;

2、基于第二步形成的标准流程,建立常规FEA的自动仿真分析流程;

3、基于第二步的标准报告,建立自动的后处理和自动输出报告;


图7 自动仿真流程


图8 自动网格


图9 自动后处理



由于装备制造业的行业特点,多数企业面临着设计变更多、生产管控复杂、项目管理难度高、成本管理难等挑战。因此,如果能成功地进行数字化转型,其收益也更加显著。下期内容精彩更新《一文读懂,装备制造业数字化转型升级,该怎么转?》,敬请期待。



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撰稿:成都恒睿

参考资料:

1、达索系统《四维一体,正向重构|浅谈轮胎行业正向结构设计体系建设》

2、新工业网《传统制造模式向数字化制造模式转变的探索和实施——高性能半钢子午线轮胎未来工厂建设》

3、轮胎报《浅谈轮胎行业正向研发平台建设》

4、慧博资讯《轮胎行业深度:行业利好、产业格局、产业链及相关企业深度梳理》

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