橡胶材料在交通运输、建筑、电子、宇航、石油化工、农业、机械、军事、水利各工业部门以及信息产业、人民生活等各方面都具有广泛应用。因为天然橡胶产量有限、质量难以精准控制、供给受环境、气候变化、交通输运等因素的影响，所以发展高性能人工合成橡胶及其他弹性体材料对于国民经济可持续发展和国家安全具有重要战略意义。目前，我国民用和国防的高端橡胶材料仍存在对进口的强烈依赖，如民用航空轮胎、舰载机、甚至普通战斗机用橡胶；核弹、普通导弹、舰艇、水下机器人等的高性能密封橡胶等。以橡胶轮胎为例：我国大型轮胎企业500多家，2018年产量近10亿条。虽然我国轮胎产量很大，但“大而不强”，主要表现在：一是品牌集中度低，从2019年9月4日美国《轮胎商业》公布的2018年表全球轮胎75强轮胎企业的排名榜上可以看出我国大陆进入全球75强的企业多达23家，但总销售额还不如第二名米其林多；二是产品附加值低，我国轮胎产量占到全球三分之一，但销售收入仅占20%左右；三是制造水平低，高端轮胎的设计和工艺等大都处在学习和模仿阶段。目前我国民用航空轮胎全部依赖租赁（国外只租不卖，年租金约60亿元）。国产飞机ARJ21和国产大飞机CR919分别租用了美国固特异和法国米其林公司的产品。轮胎是易消耗品，每个轮胎的使用寿命约250架次（3个月左右）；也就是说，一旦航空轮胎受到限制，3个月后民航飞机将面临全面停飞风险，“心腹之患”极为严重。中兴和华为等制裁事件的发生，为我们敲响了警钟，与芯片相比轮胎制裁带来的后果更为严峻，从经济成本上看轮胎本身价格相对于飞机来说非常小，且属于使用寿命很短的消耗品，可实施不对称性制裁。航空轮胎的研制是关系到我国国计民生的重要问题，而突破航空轮胎的可计算建模与智能化设计瓶颈是解决航空轮胎研制问题的关键之一。

国务院《中国制造2025》指出：围绕重点行业转型升级和新一代信息技术、智能制造、增材制造、新材料、等领域创新发展的重大共性需求，形成一批制造业创新中心，重点开展行业基础和共性关键技术研发等工作。对此，中国科学院长春应用化学研究所和吉林大学与有关合作单位开展了拓展研究领域、研发新一代高技术高端橡胶材料的联合攻关，并获得了吉林省委、政府的支持和关注。为了加快实施千亿级新兴产业培育工程，大力发展具有比较优势的战略性新兴产业，根据国家新一轮振兴东北老工业基地的方针政策和目标要求，考虑吉林省汽车和化工等产业集聚优势，以及其发展战略、产业优化、行业配套、营商环境、经济开放、政府服务等政策条件，吉林省寄望并积极支持橡胶材料相关项目在本省落地，以形成与汽车产业配套发展之势，为此积极引进国内第二大轮胎生产厂家山东玲珑轮胎落户长春（2020年3月27日）。每一个汽车和航空产业大国，背后都有一个强大的高端橡胶材料产业做支撑（世界四大轮胎企业均如此）。随着中国汽车和航空产业的发展，国内也必然会产生一个高端橡胶产业领军企业。依托长春应化所的相关材料开发技术、吉林大学数字化、智能化设计技术和长春一汽的红旗轿车及玲珑轮胎产业在省政府的运筹下，吉林省可以确立打造高端橡胶产业国家队的目标，使国产高端汽车都配套国产高端轮胎，最终使高端汽车整车走向世界。

橡胶材料是一种优良力学性能材料，其高端产品开发的各个阶段几乎都离不开可计算建模与智能化设计，例如：对弹性体材料微观/介观动力学行为建模，然后从分子尺度上设计长链支化乙丙橡胶、卤化丁基橡胶、氢化丁腈橡胶、生物基橡胶、氟醚橡胶、氟/硅橡胶、丁异戊橡胶、液体橡胶等高性能橡胶，最终控制上述材料在高温、高压、快速大变形条件下的力学响应行为。新技术高端轮胎是指在普通轮胎基础上，增加轮胎高科技含量，发展绿色轮胎、数字轮胎、智能轮胎、超轻量轮胎、免充气轮胎、低滚阻节能轮胎、无噪声静音环保轮胎、军用长寿命轮胎、防弹轮胎等高性能、超高性能、多功能性新轮胎。主要面对高档汽车、赛车、军用特种轮胎、航航空轮胎的使用。以航空轮胎为例：航空轮胎制造用原材料总计60余种，所涉及到的轮胎部位超过10个，且针对每个部位都有不同的性能要求。轮胎部件材料开发过程中，需要根据特定部位的特殊性能要求和成型工艺分别进行配方的筛选和搭配，配方量级种类超百万。此外，同一胶料中一些助剂组分之间可能存在特定的相互作用，一些性能之间存在复杂的耦合关系，如轮胎性能中的“魔鬼三角”，这无疑进一步给部件材料的开发制造了难题。轮胎部件材料开发目前最常用的还是传统的试错法，通过反复的“配方组合-表征-反馈-调整优化”路线获得满足性能要求的目标配方及部件材料。虽然这种方法对于简单复合材料，尤其是性能随配方单调变化的材料体系的开发快捷有效，但是对于轮胎部位胶这种极其复杂的体系而言，试错法需要开展数量庞大的配方实验，且配方开发的结果极度依赖相关经验或理论，有时候甚至无法获得有效配方。目前，无论是针对轮胎部位胶，还是其他新材料的开发，人们建立了一些功能较为简单的数据库，如原材料库或配方检索库。这些数据库所存储的内容尽管是完全真实可信的，但是更多是出于保密或配方管理的角度来考虑的，对于全新材料的开发而言意义不大。虽然部位胶中的某些组分之间存在复杂作用，某些性能之间存在特殊耦合关联，而一些性能对某些组分用量存在复杂的依赖，但是硫化胶性能随着组成材料用量的连续变化也是连续变化的。因此，从理论上讲，如果以某种组元材料用量为变量，设置适当的变化步长，通过试验获得若干个配方及对应的性能，就可以对数据点进行拟合，然后通过计算获得该组元材料在一个新的用量时对应材料的性能或计算得到特定性能参数对应的该组元材料用量。对于轮胎部位胶而言，鉴于配方的复杂性，可以将每一种可能的组元材料含量作为一种变量，通过大量的配方实验，建立一个多维的数据空间。利用该有限的数据空间就可以通过迭代计算获得复杂配方组合时，硫化胶对应的各方面性能。如果进一步将每一个实验配方在不同硫化条件时对应的硫化胶性能与硫化条件进行关联，就可以在保证各部位胶性能同时满足对应要求的前提下，通过科学计算对不同部位胶的同步硫化条件进行自动优化，从而获得高性能的部位材料。关于这类数据库的开发，尚未见有任何公开报道，但是米其林繁多的产品规格类型及新产品开发的快速高效，或许可以从侧面证实这类数据库的存在。

高端橡胶材料设计技术经历了从经验设计阶段、半定量设计阶段到现代设计阶段的发展历程。在早期，由于对橡胶材料的结构力学性能缺乏系统、深入的认识，人们主要依赖经验进行设计，设计水平较低。为了检验新的设计方案是否合理，往往需要经历从设计、模具加工、试验轮胎制造到试验检验的数个循环过程。为了降低研发费用和缩短研发周期，学者们提出了多种解析模型和半解析模型来研究高端橡胶材料的结构力学性能，但这些模型均使用了过多的假设和简化，难以得到精确可靠的分析结果。随着有限元理论和计算机软硬件的飞速进步，高端橡胶材料结构有限元分析也得到了蓬勃的发展，并经历了从引入过多假设的简化分析到逐渐抛弃假设的精细分析的历程。在最近的十多年里，得益于非线性有限元理论和计算机软硬件的进一步发展，高端橡胶材料结构有限元分析的求解精度和计算效率不断提高，这使人们可能对轮胎结构进行更精细的分析。目前，国内外轮胎企业均将有限元数值仿真技术作为轮胎开发的重要手段，应用到各种复杂工况的模拟中。而且正如人们所期望的，通过这些数值仿真，今天的轮胎有限元分析技术水平已经可以减少和取代部分轮胎试验。在轮胎有限元复杂工况仿真分析中，求解策略的研究是重中之重。轮胎结构有限元计算的复杂性主要来自三个方面：橡胶材料的非线性和近似不可压缩性；结构的大变形引起的几何非线性；轮胎与地面的接触非线性边界条件。现有商用有限元软件原则上已经能够处理上述三个方面的非线性问题，但是还远没有对轮胎各种复杂工况形成一个合理有效的求解策略，即一方面模型的建立还依赖于分析者对问题物理本质的理解，另一方面有关算法的应用也依赖于分析者的熟悉程度和经验。因此，有必要对轮胎各种复杂工况下仿真分析的求解策略进行深入研究，通盘考虑不同工况下仿真网格划分的差异，材料性能的差异、加载条件和边界条件的差异以及求解算法所带来的影响，找到最佳求解策略。此外，由于轮胎复杂工况仿真分析的复杂性，使得设计开发人员必须掌握专门的有限元知识才能使用这一工具，这就大大限制了其应用范围。有鉴于此，国内外轮胎企业都致力于通过开发二次平台，将轮胎复杂工况下的较为繁琐的数值仿真流程标准化和程序化，使得轮胎开发人员能够在不需要较多有限元背景知识的前提下使用该平台获取仿真结果并以此改进轮胎设计。已有公开的关于轮胎的研究工作都是使用有限元方法来进行数值求解。然而，这些工作都是借助于有限元工程软件，如ABAQUS，Ansys等来进行求解。由于轮胎的结构与轮胎面临的工况都十分复杂，轮胎模型的求解涉及到多物理场耦合、复合材料、非线性静/动力学、非线性弹塑性、大形变、多尺度、高温等极端条件、变系数、复杂的定解条件和边界等问题，通用性的有限元工程软件很难同时解决这些问题。米其林、固特异等轮胎巨头均采用自主研发软件的方式进行轮胎结构的设计，其软件严格对外保密，目前从公开渠道很难获得到相关信息。受限于仿真平台的国外技术垄断，我国在航空轮胎的高精度仿真设计中发展局面非常被动，仿真水平一直停留在定性判断和对结果展示性参考的水准，不足以承担对高精度轮胎结构和海量配方的优选工作，距离西方发达国家的无纸化设计水准差距也在继续拉大。鉴于目前的国际政治经济形势，以及我国通用轮胎产业产量大，价格低，收益少的现状，突破我国高端橡胶材料核心算法研制瓶颈，提供最优设计及配方这一“卡脖子”问题刻不容缓。

吉林应用数学中心聚集吉林大学数学学院团队，中国科学院长春应用化学研究所团队，吉林大学机械工程与航空航天学院团队，吉林省计算中心团队，对本课题进行系统研究。团队具有偏微分方程数值解法，高分子流变学，材料力学，计算数学与高分子流变学学科交叉，汽车结构轻量化，商业软件二次开发，飞机起落架模拟，软件开发等研究经验。