本文提出的自動(dòng)化智能輪胎設(shè)計(jì)(automatedintelligent tire design，AITD)系統(tǒng)是專門的開發(fā)輪胎產(chǎn)品的設(shè)計(jì)平臺(tái)，系統(tǒng)基于流行的大型商用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，專門針對(duì)三維輪胎數(shù)字化模型開發(fā)而設(shè)計(jì)的一種3D設(shè)計(jì)過程和模板，該模板最大程度地整合了復(fù)雜輪胎產(chǎn)品各種特有的結(jié)構(gòu)特征概念，整合輪胎產(chǎn)品包括轎車輪胎、輕型載貨汽車輪胎、大客車輪胎、農(nóng)用車輪胎、工程車輪胎、工業(yè)用車輪胎、飛機(jī)輪胎、摩托車輪胎.結(jié)構(gòu)特征屬性包括縱溝胎紋、橫溝胎紋、縱橫胎紋和塊狀胎紋四種基本胎紋及其對(duì)驅(qū)動(dòng)性、制動(dòng)性、抓地性、噪音、排水性和滾動(dòng)阻力等性能的影響機(jī)理和評(píng)價(jià)機(jī)制;該系統(tǒng)具備輪胎各零部件之間建模設(shè)計(jì)任務(wù)的拆分，同時(shí)又保證各零部件之間的輪胎重要參數(shù)的高度關(guān)聯(lián)，使之適合多人員協(xié)同設(shè)計(jì);系統(tǒng)整體架構(gòu)包括需求表示模塊、需求分析預(yù)處理模塊、產(chǎn)品清單生成模塊、產(chǎn)品清單造型模塊和產(chǎn)品需求檢驗(yàn)?zāi)K;附加的輔助系統(tǒng)包括輪胎知識(shí)庫和輪胎零件庫.該套系統(tǒng)可以應(yīng)用于輪胎設(shè)計(jì)公司、高校輪胎研究機(jī)構(gòu)、大型汽車公司的輪胎研發(fā)中心或獨(dú)立的輪胎制造公司的全新輪胎和系列輪胎的概念設(shè)計(jì)階段.文中系統(tǒng)結(jié)合上海輪胎橡膠股份有限公司提供的一份輪胎詳細(xì)需求表示文檔，實(shí)現(xiàn)了該輪胎三維造型，說明了該系統(tǒng)的有效性和實(shí)用性.

　　1 AIDT系統(tǒng)架構(gòu)

　　AJDT系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，其中需求表達(dá)獲取模塊中的需求包括概念性需求和詳細(xì)需求，概念性需求指輪胎產(chǎn)品的性能指標(biāo)量化參數(shù)組合，詳細(xì)需求指明確提供輪胎輪廓的數(shù)據(jù)、花紋溝數(shù)據(jù)和花紋溝截面數(shù)據(jù)等.需求分析預(yù)處理模塊對(duì)需求參數(shù)進(jìn)行分析，主要是針對(duì)概念性需求的分析，包括需求預(yù)處理和解析，產(chǎn)生一個(gè)概念性目標(biāo)表示，目標(biāo)產(chǎn)生的過程中必須參考輪胎知識(shí)庫中的信息，并產(chǎn)生相應(yīng)的產(chǎn)品約束;對(duì)詳細(xì)需求的參數(shù)主要進(jìn)行參數(shù)合理性分析;產(chǎn)品清單生成模塊主要是根據(jù)概念性目標(biāo)和相應(yīng)的約束條件參考零件庫及性能特征屬性量化值，產(chǎn)生出可行的零件組合，這里用可行解的概念表述，可行解并非一定是最優(yōu)解，這個(gè)過程中并不是要產(chǎn)生最優(yōu)化的組合，且可行解的數(shù)量每次最多輸出個(gè)數(shù)小于一個(gè)給定的閾值，可行解就是輪胎零件清單，這里的零件定義為輪胎輪廓類型、橫溝、縱溝、剖面和相互的關(guān)聯(lián)信息.清單造型模塊根據(jù)零件清單在CAD軟件中加工出準(zhǔn)確的輪胎產(chǎn)品三維模型.產(chǎn)品需求檢驗(yàn)?zāi)K對(duì)輪胎的三維模型應(yīng)用仿真軟件進(jìn)行性能分析，比如驅(qū)動(dòng)性和制動(dòng)性性能等，一些特別的性能需求可以產(chǎn)生實(shí)體來實(shí)踐測量，如果所有的清單都不滿足要求，則把各種清單的缺陷量化數(shù)據(jù)反饋到產(chǎn)品清單生成模塊，產(chǎn)品清單生成模塊根據(jù)反饋的數(shù)據(jù)重新根據(jù)零件庫有目標(biāo)的優(yōu)化組合，重新產(chǎn)生出相應(yīng)數(shù)量的清單，如此迭代反復(fù)，如果遍歷所有的可行解都不滿足需求要求，則反饋消息于零件庫的零件需求增補(bǔ)模塊，并顯示無解狀態(tài)，否則顯示可行的輪胎產(chǎn)品.輪胎零件庫的建立需要大量的原始建模和實(shí)際測量工作，包含產(chǎn)品和零部件的數(shù)字化定義.輪胎產(chǎn)品的主框架結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)規(guī)則主要體現(xiàn)在產(chǎn)品清單的構(gòu)成和清單造型的方案設(shè)計(jì)方面，整個(gè)流程體現(xiàn)著自上而下的控制參數(shù)和全局參數(shù)等數(shù)據(jù)流的流動(dòng)傳遞和處理，從而保證子模塊之間，輪胎零部件之間的相關(guān)性和高度設(shè)計(jì)柔性.

　　圖l 自動(dòng)化智能輪胎設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)

　　2.需求表達(dá)獲取和分析預(yù)處理模塊

　　概念性需求的處理涉及到多目標(biāo)優(yōu)化和人工智能領(lǐng)域的問題，本文主要就詳細(xì)需求的表示形式和整個(gè)處理流程做詳細(xì)的說明，概念性需求的表示形式和量化過程還有待于進(jìn)一步研究;詳細(xì)需求包含花紋輪廓數(shù)據(jù)文件、花紋溝數(shù)據(jù)文件、剖面數(shù)據(jù)文件和不等深度溝曲線文件，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)文件格式，涉及到輪廓文件、縱向花紋溝文件和橫向花紋溝文件;數(shù)據(jù)文件的元數(shù)據(jù)為直線和圓弧，分別表示為

　　[LINE起始點(diǎn)x軸坐標(biāo)起始點(diǎn)y軸坐標(biāo)終點(diǎn)X軸坐標(biāo)終點(diǎn)y軸坐標(biāo)]

　　[ARC圓心X軸坐標(biāo)圓心y軸坐標(biāo)圓半徑起始弧度終止弧度]

　　花紋溝的表示形式為

　　花紋溝i(上|左)端點(diǎn)位置(下|右)端點(diǎn)位置[深度計(jì)算曲線代號(hào)]

　　花紋溝i(左|上)曲線線段數(shù)量剖面代號(hào)

　　[元數(shù)據(jù)集合]

　　花紋溝i(右|下)曲線線段數(shù)量剖面代號(hào)

　　[元數(shù)據(jù)集合]

　　分析預(yù)處理模塊中針對(duì)詳細(xì)需求中的數(shù)據(jù)進(jìn)行合理性分析，比如花紋溝元數(shù)據(jù)之間是否銜接、剖面的寬度是否超過花紋溝寬度等，其產(chǎn)物是被驗(yàn)證過的合法數(shù)據(jù)，并直接送到造型模塊進(jìn)行輪胎產(chǎn)品三維造型.

　　3產(chǎn)品清單造型模塊

　　輪胎產(chǎn)品的造型方案是本文論述的重點(diǎn)，也就是三維輪胎數(shù)字化模型開發(fā)平臺(tái)所應(yīng)用的造型設(shè)計(jì)模板，目前輪胎造型的方法可歸納為三種：

　　(1)使用Sketcher模塊繪制草圖，然后通過修改約束形成準(zhǔn)確的輪胎斷面輪廓圖;使用曲面造型模塊直接在輪胎斷面輪廓的旋轉(zhuǎn)曲面上繪制一節(jié)距花紋;利用實(shí)體造型模塊對(duì)復(fù)雜的曲面進(jìn)行填充，生成實(shí)體.

　　(2)利用數(shù)學(xué)方法計(jì)算生成其截面控制點(diǎn)，利用程序讀取控制點(diǎn)坐標(biāo)，直接在CATIA軟件曲面設(shè)計(jì)環(huán)境中，自動(dòng)生成各剖面的Spline曲線，然后采用CATIA高級(jí)曲面的“Loft”，命令完成復(fù)雜曲面的造型設(shè)計(jì).

　　(3)根據(jù)輪胎和輪胎花紋的特征，找到輪胎花紋曲線上的點(diǎn)從平面到立體的函數(shù)轉(zhuǎn)換，生成空間曲線，然后生成花紋的截面.花紋直壁面的生成方法也主要有兩種，①通過以花紋曲線為引導(dǎo)線，與輪胎表面的法線成一定脫模斜度的直線為截面線，引導(dǎo)生成;②使用曲面造型設(shè)計(jì)中的多截面掃描，通過控制截面的角度，準(zhǔn)確完成復(fù)雜曲面的造型設(shè)計(jì).

　　方案①更適合于手工繪制，難以用編程實(shí)現(xiàn).方案②和方案③在處理復(fù)雜多變的花紋溝時(shí)顯得繁雜，需要過多的人工干預(yù)，自動(dòng)化程度較低.

　　本文提出了一種既利于編程實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也滿足精度要求的解決方案.系統(tǒng)以CATIA V5R18版本為載體研究輪胎的三維造型并通過CATIA自帶的VB語言實(shí)現(xiàn)了該模塊;通過充分利用CATIA的實(shí)體造型和曲面造型功能，利用其多截面實(shí)體造型功能和實(shí)體之間的聯(lián)合修剪實(shí)現(xiàn)一節(jié)距輪胎的實(shí)體造型，最后通過CATIA的環(huán)形陣列實(shí)現(xiàn)整個(gè)輪胎的三維造型.造型模板流程如圖2所示，其中每個(gè)方框代表一個(gè)系統(tǒng)模塊，流程線表示模塊執(zhí)行條件或順序，見圖2.

　　圖2造型模板流程

　　4花紋溝造型關(guān)鍵技術(shù)

　　以下將詳細(xì)介紹清單造型模塊中的花紋溝造型關(guān)鍵技術(shù)，主要涉及多截面實(shí)體造型所需的引導(dǎo)線的生成，和各截面的計(jì)算等技術(shù)難點(diǎn).

　　4.1 平面花紋溝草圖線到輪胎外表面的映射

　　此過程就是引導(dǎo)線的生成過程，通過讀取輪廓數(shù)據(jù)文件和花紋溝數(shù)據(jù)文件，獲得輪胎輪廓外表面圓弧的半徑，在絕對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)的特定草圖中繪制花紋溝草圖線，花紋溝i(左|上)曲線和花紋溝i(右|下)曲線分別繪制在單獨(dú)的草圖中，以生成花紋溝i的兩條獨(dú)立的引導(dǎo)曲線，再把繪制好的花紋溝草圖通過投影操作映射到一節(jié)距輪胎外表面曲面上，整個(gè)過程主要借助于CATIA的投影功能.由于有些花紋溝特別是橫溝會(huì)延伸到胎肩部分，為了處理胎肩上的溝槽，在投影操作之前，必須對(duì)輪胎輪廓單位旋轉(zhuǎn)體上的幾段曲面進(jìn)行曲面拼接運(yùn)算，以生成統(tǒng)一的曲面體.本系統(tǒng)在溝造型中的引導(dǎo)線分為1線、2線、3線、4線和5線五種分級(jí)引導(dǎo)體系.

　　4.2截面計(jì)算原理

　　由于系統(tǒng)中輪胎花紋溝數(shù)據(jù)只提供垂直于某花紋溝曲線的左右或上下兩個(gè)半邊剖面數(shù)據(jù);截面生成過程就是在某特定位置的截面草圖中繪制計(jì)算后的左右或上下兩個(gè)半邊剖面數(shù)據(jù)，然后再用一條直線把兩個(gè)半邊剖面數(shù)據(jù)末端點(diǎn)連接起來，再繪制一些輔助的線段，使草圖線閉合.

　　剖面數(shù)據(jù)離散投影計(jì)算分為數(shù)據(jù)離散過程和數(shù)據(jù)投影計(jì)算過程;數(shù)據(jù)離散過程指把由若干線段和圓弧組成的剖面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為若干點(diǎn)二維信息的過程;數(shù)據(jù)投影計(jì)算過程是通過三角關(guān)系計(jì)算實(shí)現(xiàn)的;通過對(duì)花紋溝線段間的角度θ計(jì)算，把離散化后點(diǎn)的X軸坐標(biāo)值除以sinθ實(shí)現(xiàn)投影運(yùn)算，離散點(diǎn)的y軸坐標(biāo)即深度信息不變.角度θ通過向量點(diǎn)積公式計(jì)算：m·n2=|m|.|n|·COSθ.

　　截面草圖位置的確定分為花紋溝對(duì)稱線段結(jié)構(gòu)(如圖3a所示)和不對(duì)稱線段結(jié)構(gòu)(如圖3b所示)兩種情況處理.以下主要論述對(duì)稱線段結(jié)構(gòu)類型，對(duì)稱線段結(jié)構(gòu)指的是花紋溝上(左)草圖與下(右)草圖具有相同數(shù)量、同等類型線型相互連接組成，比如同樣為n線m弧線混合順序連接線型結(jié)構(gòu);并定義兩線的接合點(diǎn)處為接合點(diǎn)，也稱中間接合點(diǎn)，如果中間接合點(diǎn)的上下或左右兩段溝的寬度相同，則稱該接合點(diǎn)為等寬接合點(diǎn)，首末線段的端點(diǎn)也稱接合點(diǎn)，稱端點(diǎn)接合點(diǎn).通過投影操作后的引導(dǎo)線也適用于該定義，下(右)草圖的投影對(duì)應(yīng)的接合點(diǎn)稱下(右)接合點(diǎn).截面草圖坐標(biāo)系統(tǒng)定義為以下(右)接合點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，下(右)接合點(diǎn)與對(duì)應(yīng)的上(左)接合點(diǎn)的連線為X軸方向，y軸通過輪胎外輪廓圓弧圓心;花紋溝i有幾個(gè)接合點(diǎn)，該花紋溝上就有幾個(gè)截面.以上截面的確定只適合于等寬接合點(diǎn)，對(duì)不等寬接合點(diǎn)截面的處理需要解決相同的剖面由于角度θ1和θ2不同而在同一位置產(chǎn)生不同的截面的矛盾，如圖4。解決的方法就是以對(duì)應(yīng)不等寬接合點(diǎn)為起點(diǎn)，以l1，和l2為長度分別在對(duì)應(yīng)的上下引導(dǎo)線上取兩點(diǎn)，根據(jù)兩點(diǎn)和圓心確定兩個(gè)附加截面;附加截面l以θl計(jì)算投影，附加截面2以θ2計(jì)算投影;對(duì)應(yīng)不等寬接合點(diǎn)處截面數(shù)據(jù)的左剖面以口：計(jì)算投影，右剖面以θ2計(jì)算投影.不足之處是在不等寬接合點(diǎn)處截面和附加截面之間的多截面實(shí)體，其花紋直壁面角度會(huì)產(chǎn)生從偏移角度到正確角度的漸進(jìn)誤差.l1和l2的長度綜合衡量形狀誤差和角度誤差而定.

　　圖3截面草圖位置的計(jì)算

　　4.3改進(jìn)的計(jì)算花紋溝中心線的算法

　　花紋溝中心線數(shù)據(jù)在不規(guī)則輪胎花紋造型中對(duì)造型精度起著重要作用，改進(jìn)算法在基本算法之上通過對(duì)曲線的擬合和插值來生成更為準(zhǔn)確的中心線數(shù)據(jù)，以下描述解決該問題抽象出的通用數(shù)學(xué)模型.

　　對(duì)于上述問題進(jìn)行抽象，即根據(jù)兩條隨意不相交的曲線，求解出一系列位于不同位置但在曲線之間的點(diǎn)，滿足點(diǎn)到兩條曲線的距離最短，然后由這些點(diǎn)連接起來，就可成為一條兩條曲線間的中心線.問題解決的核心思想是構(gòu)造一個(gè)直徑可升縮的圓，使它從花紋溝的一端不斷內(nèi)切于花紋溝的兩條邊，從而圓的中心形成一條軌跡，這條軌跡就是花紋溝的中心，計(jì)算過程中把曲線離散化成均勻的點(diǎn)數(shù)據(jù).

　　基本算法的原理是用小段的直線近似代替小段的曲線，雖然在這一小段誤差不是很大，但從整體上來說，尤其是當(dāng)大多數(shù)的小段曲線凹凸相同時(shí)，微小的誤差會(huì)積聚成較大的誤差，這對(duì)精度要求高的工程來說，這種算法在使用中有很大的局限性，從而限制了算法的使用范圍，使得算法的通用性較差.如圖4所示.

　　圈4計(jì)算中心線基本算法原理

　　改進(jìn)算法的原理是基于基本算法的同時(shí)對(duì)基本算法的問題做出針對(duì)性的處理后形成，針對(duì)小段連線近似替代小段曲線的不理想，為使得能夠找到更貼近于該段曲線的近似替代，較好的方法是使用更多的點(diǎn)進(jìn)行擬合曲線，由于是對(duì)相鄰的點(diǎn)進(jìn)行擬合，以后所得到的中心點(diǎn)會(huì)比曲線上邊用來擬合的點(diǎn)的數(shù)量減少一個(gè)點(diǎn).如圖5所示.

　　圈5改進(jìn)的計(jì)算中心線算法原理

　　4.4應(yīng)用實(shí)例

　　系統(tǒng)結(jié)合上海輪胎橡膠股份有限公司提供的一份輪胎詳細(xì)需求表示文檔，文檔由輪廓文件、一個(gè)縱向花紋溝文件和三個(gè)橫向花紋溝文件組成;其中縱向花紋溝文件包含四個(gè)縱溝和兩個(gè)剖面數(shù)據(jù)，三個(gè)橫向花紋溝文件共包含22個(gè)橫溝和6個(gè)剖面數(shù)據(jù);系統(tǒng)的造型界面如圖6所示.系統(tǒng)在分析預(yù)處理模塊中對(duì)5個(gè)文件數(shù)據(jù)進(jìn)行合理性分析并保存各個(gè)溝的幾何屬性和花紋溝的關(guān)聯(lián)信息，同時(shí)產(chǎn)生花紋溝清單和造型順序;并在產(chǎn)品清單造型模塊中進(jìn)行輪胎一節(jié)距實(shí)體造型;該一節(jié)距輪胎造型實(shí)體如圖7所示.最終的輪胎三維實(shí)體如圖8所示.在此基礎(chǔ)上可以生成該輪胎的工程圖，同時(shí)可以應(yīng)用分析工具對(duì)該輪胎實(shí)體進(jìn)行物理屬性分析等應(yīng)用分析，如圖9所示.

　　圖6系統(tǒng)界面

　　圖7一節(jié)距輪胎實(shí)體

　　圈8輪胎三維實(shí)體

　　圖9輪胎實(shí)體物理屬性分析

　　5 總結(jié)

　　本文詳細(xì)地介紹了自動(dòng)化智能輪胎設(shè)計(jì)概念，并系統(tǒng)地介紹CAD三維輪胎數(shù)字化模型開發(fā)設(shè)計(jì)平臺(tái)的整體架構(gòu)，產(chǎn)品清單造型模塊在本文中得到了很好的解決，本文所論述的以實(shí)體操作為特征的輪胎三維造型方案在一定誤差容許范圍內(nèi)提供了一個(gè)很好的解決方法，系統(tǒng)準(zhǔn)確地繪制出各種花紋溝類型的輪胎，具有一定的普適性，同時(shí)使用自動(dòng)化語言VBA進(jìn)行進(jìn)程內(nèi)編程，提高程序的運(yùn)行效率，系統(tǒng)總體自動(dòng)化程度高.需求分析預(yù)處理模塊、產(chǎn)品清單生成模塊和產(chǎn)品檢驗(yàn)?zāi)K涉及到基因編碼、人工智能和專家系統(tǒng)等領(lǐng)域，這些模塊的具體實(shí)現(xiàn)還有待于進(jìn)一步的研究.