大型轮胎公司设计无刺轮胎

 
一些高尔夫球车和割草机已经使用了无气轮胎，并且至少一家大型轮胎公司生产了非充气汽车轮胎，但是要在每辆下线的汽车上使用它们，我们还有很长的路要走。关键是找到一种在无刺穿强度与舒适，无冲击行驶所需的弹性之间取得平衡的设计。
为了解决某些问题，伊利诺伊大学的研究人员专注于轮胎的一个组成部分-剪切层，它位于胎面下方。
美国大学航空航天工程系助理教授Kai James说：“从设计的角度来看，剪切层是您最大的收获。在这里，您可以最大程度地探索新颖和独特的设计配置。一世。
James和我的研究生Yeshern Maharaj一起使用了设计优化(一种计算机算法)，为非充气轮胎的剪切层提供了多种结构模式。
他们进行了计算机模拟，模拟了剪切层上的弹性响应。模拟计算材料的拉伸和扭曲能力。
詹姆斯说：“我们一直在寻找高水平的剪切力，也就是说，材料在压力下可以承受多大的应变，但我们希望在轴向上具有刚度。”
这些物理压力不像轮胎上的老化或老化一样，而是关于内部压力和应力的-本质上是材料对自身施加的压力。
詹姆斯说：“超过一定程度的压力，材料将失效。” “因此，我们加入了应力约束，以确保无论发生什么设计，应力都不会超出设计材料的极限。
“还存在屈曲约束。如果您有一个狭窄细长的构件(例如，单元中的支撑杆)，则承受的压缩力可能会发生屈曲。我们可以通过数学方法预测将在结构中引起何种屈曲的力水平并相应地进行修改。根据您对每个设计要求的权重(屈曲，应力，刚度，剪切力以及这些要求的每种组合)，将得出不同的设计。”
目标是设计一种轮胎，既可以承受压力，又具有弹性，从而提供一种骑行感觉，就像您在驾驶钢制轮胎时一样。
James解释了如何通过计算机仿真来找到最佳图案，从而消除了并非最佳的结构图案。首先从计算机模拟将要制造轮胎的散装材料块开始。由于实心块没有太大的弹性，因此实际上将材料切掉了，留出了一定的弹性空间。
他说：“如果您在材料上开孔直到它像棋盘状图案一样，并且只用一半的材料，那么您还将拥有原始刚度的一半。” “现在，如果您执行更复杂的图案，则实际上可以调整刚度。”
显然，从材料块到薄薄的花边样图案的连续体上，潜在的设计数量是无限的，但是测试每个设计都是不现实的。而且，必须注意的是，算法并不会因为吐出单个最佳设计而告终。
詹姆斯说：“搜索算法具有策略性地搜索设计空间的巧妙方法，因此最终您最终不得不测试尽可能少的不同设计。” “然后，当您逐步测试设计时，每个新设计都是对先前设计的改进，最终是接近最佳的设计。”
詹姆斯说，对这种结构或任何物理系统进行计算机建模时，会将复杂性级别编码到模型中-精度更高，保真度更高的模型的成本更高。
詹姆斯说：“从计算的角度来看，我们通常谈论的是在高性能计算机上运行分析所花费的时间。”
未来的分析将需要一个行业或研究合作者。
这项研究“具有应力和屈曲约束的非充气轮胎的超材料拓扑优化”由Yeshern Maharaj和Kai James撰写。它发表在国际工程数值方法杂志上。