本文提出的自動化智能輪胎設計(automatedintelligent tire design，AITD)系統是專門的開發輪胎產品的設計平臺，系統基于流行的大型商用計算機輔助設計軟件，專門針對三維輪胎數字化模型開發而設計的一種3D設計過程和模板，該模板最大程度地整合了復雜輪胎產品各種特有的結構特征概念，整合輪胎產品包括轎車輪胎、輕型載貨汽車輪胎、大客車輪胎、農用車輪胎、工程車輪胎、工業用車輪胎、飛機輪胎、摩托車輪胎.結構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驅動性、制動性、抓地性、噪音、排水性和滾動阻力等性能的影響機理和評價機制;該系統具備輪胎各零部件之間建模設計任務的拆分，同時又保證各零部件之間的輪胎重要參數的高度關聯，使之適合多人員協同設計;系統整體架構包括需求表示模塊、需求分析預處理模塊、產品清單生成模塊、產品清單造型模塊和產品需求檢驗模塊;附加的輔助系統包括輪胎知識庫和輪胎零件庫.該套系統可以應用于輪胎設計公司、高校輪胎研究機構、大型汽車公司的輪胎研發中心或獨立的輪胎制造公司的全新輪胎和系列輪胎的概念設計階段.文中系統結合上海輪胎橡膠股份有限公司提供的一份輪胎詳細需求表示文檔，實現了該輪胎三維造型，說明了該系統的有效性和實用性.

　　1 AIDT系統架構

　　AJDT系統架構如圖1所示，其中需求表達獲取模塊中的需求包括概念性需求和詳細需求，概念性需求指輪胎產品的性能指標量化參數組合，詳細需求指明確提供輪胎輪廓的數據、花紋溝數據和花紋溝截面數據等.需求分析預處理模塊對需求參數進行分析，主要是針對概念性需求的分析，包括需求預處理和解析，產生一個概念性目標表示，目標產生的過程中必須參考輪胎知識庫中的信息，并產生相應的產品約束;對詳細需求的參數主要進行參數合理性分析;產品清單生成模塊主要是根據概念性目標和相應的約束條件參考零件庫及性能特征屬性量化值，產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解，這個過程中并不是要產生最優化的組合，且可行解的數量每次最多輸出個數小于一個給定的閾值，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、剖面和相互的關聯信息.清單造型模塊根據零件清單在CAD軟件中加工出準確的輪胎產品三維模型.產品需求檢驗模塊對輪胎的三維模型應用仿真軟件進行性能分析，比如驅動性和制動性性能等，一些特別的性能需求可以產生實體來實踐測量，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據反饋到產品清單生成模塊，產品清單生成模塊根據反饋的數據重新根據零件庫有目標的優化組合，重新產生出相應數量的清單，如此迭代反復，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模塊，并顯示無解狀態，否則顯示可行的輪胎產品.輪胎零件庫的建立需要大量的原始建模和實際測量工作，包含產品和零部件的數字化定義.輪胎產品的主框架結構和設計規則主要體現在產品清單的構成和清單造型的方案設計方面，整個流程體現著自上而下的控制參數和全局參數等數據流的流動傳遞和處理，從而保證子模塊之間，輪胎零部件之間的相關性和高度設計柔性.

　　圖l 自動化智能輪胎設計系統架構

　　2.需求表達獲取和分析預處理模塊

　　概念性需求的處理涉及到多目標優化和人工智能領域的問題，本文主要就詳細需求的表示形式和整個處理流程做詳細的說明，概念性需求的表示形式和量化過程還有待于進一步研究;詳細需求包含花紋輪廓數據文件、花紋溝數據文件、剖面數據文件和不等深度溝曲線文件，本系統設計了一個結構化的數據文件格式，涉及到輪廓文件、縱向花紋溝文件和橫向花紋溝文件;數據文件的元數據為直線和圓弧，分別表示為

　　[LINE起始點x軸坐標起始點y軸坐標終點X軸坐標終點y軸坐標]

　　[ARC圓心X軸坐標圓心y軸坐標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)端點位置(下|右)端點位置[深度計算曲線代號]

　　花紋溝i(左|上)曲線線段數量剖面代號

　　[元數據集合]

　　花紋溝i(右|下)曲線線段數量剖面代號

　　[元數據集合]

　　分析預處理模塊中針對詳細需求中的數據進行合理性分析，比如花紋溝元數據之間是否銜接、剖面的寬度是否超過花紋溝寬度等，其產物是被驗證過的合法數據，并直接送到造型模塊進行輪胎產品三維造型.

　　3產品清單造型模塊

　　輪胎產品的造型方案是本文論述的重點，也就是三維輪胎數字化模型開發平臺所應用的造型設計模板，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曲面上繪制一節距花紋;利用實體造型模塊對復雜的曲面進行填充，生成實體.

　　(2)利用數學方法計算生成其截面控制點，利用程序讀取控制點坐標，直接在CATIA軟件曲面設計環境中，自動生成各剖面的Spline曲線，然后采用CATIA高級曲面的“Loft”，命令完成復雜曲面的造型設計.

　　(3)根據輪胎和輪胎花紋的特征，找到輪胎花紋曲線上的點從平面到立體的函數轉換，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，引導生成;②使用曲面造型設計中的多截面掃描，通過控制截面的角度，準確完成復雜曲面的造型設計.

　　方案①更適合于手工繪制，難以用編程實現.方案②和方案③在處理復雜多變的花紋溝時顯得繁雜，需要過多的人工干預，自動化程度較低.

　　本文提出了一種既利于編程實現，同時也滿足精度要求的解決方案.系統以CATIA V5R18版本為載體研究輪胎的三維造型并通過CATIA自帶的VB語言實現了該模塊;通過充分利用CATIA的實體造型和曲面造型功能，利用其多截面實體造型功能和實體之間的聯合修剪實現一節距輪胎的實體造型，最后通過CATIA的環形陣列實現整個輪胎的三維造型.造型模板流程如圖2所示，其中每個方框代表一個系統模塊，流程線表示模塊執行條件或順序，見圖2.

　　圖2造型模板流程

　　4花紋溝造型關鍵技術

　　以下將詳細介紹清單造型模塊中的花紋溝造型關鍵技術，主要涉及多截面實體造型所需的引導線的生成，和各截面的計算等技術難點.

　　4.1 平面花紋溝草圖線到輪胎外表面的映射

　　此過程就是引導線的生成過程，通過讀取輪廓數據文件和花紋溝數據文件，獲得輪胎輪廓外表面圓弧的半徑，在絕對坐標系統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的草圖中，以生成花紋溝i的兩條獨立的引導曲線，再把繪制好的花紋溝草圖通過投影操作映射到一節距輪胎外表面曲面上，整個過程主要借助于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，必須對輪胎輪廓單位旋轉體上的幾段曲面進行曲面拼接運算，以生成統一的曲面體.本系統在溝造型中的引導線分為1線、2線、3線、4線和5線五種分級引導體系.

　　4.2截面計算原理

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

　　剖面數據離散投影計算分為數據離散過程和數據投影計算過程;數據離散過程指把由若干線段和圓弧組成的剖面數據轉化為若干點二維信息的過程;數據投影計算過程是通過三角關系計算實現的;通過對花紋溝線段間的角度θ計算，把離散化后點的X軸坐標值除以sinθ實現投影運算，離散點的y軸坐標即深度信息不變.角度θ通過向量點積公式計算：m·n2=|m|.|n|·COSθ.

　　截面草圖位置的確定分為花紋溝對稱線段結構(如圖3a所示)和不對稱線段結構(如圖3b所示)兩種情況處理.以下主要論述對稱線段結構類型，對稱線段結構指的是花紋溝上(左)草圖與下(右)草圖具有相同數量、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構;并定義兩線的接合點處為接合點，也稱中間接合點，如果中間接合點的上下或左右兩段溝的寬度相同，則稱該接合點為等寬接合點，首末線段的端點也稱接合點，稱端點接合點.通過投影操作后的引導線也適用于該定義，下(右)草圖的投影對應的接合點稱下(右)接合點.截面草圖坐標系統定義為以下(右)接合點為坐標原點，下(右)接合點與對應的上(左)接合點的連線為X軸方向，y軸通過輪胎外輪廓圓弧圓心;花紋溝i有幾個接合點，該花紋溝上就有幾個截面.以上截面的確定只適合于等寬接合點，對不等寬接合點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生不同的截面的矛盾，如圖4。解決的方法就是以對應不等寬接合點為起點，以l1，和l2為長度分別在對應的上下引導線上取兩點，根據兩點和圓心確定兩個附加截面;附加截面l以θl計算投影，附加截面2以θ2計算投影;對應不等寬接合點處截面數據的左剖面以口：計算投影，右剖面以θ2計算投影.不足之處是在不等寬接合點處截面和附加截面之間的多截面實體，其花紋直壁面角度會產生從偏移角度到正確角度的漸進誤差.l1和l2的長度綜合衡量形狀誤差和角度誤差而定.

　　圖3截面草圖位置的計算

　　4.3改進的計算花紋溝中心線的算法

　　花紋溝中心線數據在不規則輪胎花紋造型中對造型精度起著重要作用，改進算法在基本算法之上通過對曲線的擬合和插值來生成更為準確的中心線數據，以下描述解決該問題抽象出的通用數學模型.

　　對于上述問題進行抽象，即根據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，滿足點到兩條曲線的距離最短，然后由這些點連接起來，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造一個直徑可升縮的圓，使它從花紋溝的一端不斷內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，計算過程中把曲線離散化成均勻的點數據.

　　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，尤其是當大多數的小段曲線凹凸相同時，微小的誤差會積聚成較大的誤差，這對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計算中心線基本算法原理

　　改進算法的原理是基于基本算法的同時對基本算法的問題做出針對性的處理后形成，針對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進行擬合曲線，由于是對相鄰的點進行擬合，以后所得到的中心點會比曲線上邊用來擬合的點的數量減少一個點.如圖5所示.

　　圈5改進的計算中心線算法原理

　　4.4應用實例

　　系統結合上海輪胎橡膠股份有限公司提供的一份輪胎詳細需求表示文檔，文檔由輪廓文件、一個縱向花紋溝文件和三個橫向花紋溝文件組成;其中縱向花紋溝文件包含四個縱溝和兩個剖面數據，三個橫向花紋溝文件共包含22個橫溝和6個剖面數據;系統的造型界面如圖6所示.系統在分析預處理模塊中對5個文件數據進行合理性分析并保存各個溝的幾何屬性和花紋溝的關聯信息，同時產生花紋溝清單和造型順序;并在產品清單造型模塊中進行輪胎一節距實體造型;該一節距輪胎造型實體如圖7所示.最終的輪胎三維實體如圖8所示.在此基礎上可以生成該輪胎的工程圖，同時可以應用分析工具對該輪胎實體進行物理屬性分析等應用分析，如圖9所示.

　　圖6系統界面

　　圖7一節距輪胎實體

　　圈8輪胎三維實體

　　圖9輪胎實體物理屬性分析

　　5 總結

　　本文詳細地介紹了自動化智能輪胎設計概念，并系統地介紹CAD三維輪胎數字化模型開發設計平臺的整體架構，產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提供了一個很好的解決方法，系統準確地繪制出各種花紋溝類型的輪胎，具有一定的普適性，同時使用自動化語言VBA進行進程內編程，提高程序的運行效率，系統總體自動化程度高.需求分析預處理模塊、產品清單生成模塊和產品檢驗模塊涉及到基因編碼、人工智能和專家系統等領域，這些模塊的具體實現還有待于進一步的研究.