Design af et punkteringsfrit dæk

Nogle golfvogne og plæneklippere bruger allerede luftløse dæk, og mindst et større dækfirma producerer et ikke-pneumatisk bildæk, men vi har stadig lang vej igen, før de er på hvert køretøj, der kommer fra samlebåndet. At finde et design, der afbalancerer punkteringsfri styrke med den nødvendige elasticitet for en behagelig, stødfri kørsel som konventionelle pneumatiske dæk er nøglen.

For at løse nogle af problemerne, University of Illinois-forskere fokuserede på en komponent af dækket - forskydningslaget, som er lige under slidbanen.

"Skærlaget er det sted, hvor du får mest valuta for pengene fra et designperspektiv. Det er her, du har størst frihed til at udforske nye og unikke designkonfigurationer, " sagde Kai James, adjunkt ved Institut for Luftfartsteknik ved U of I.

James brugte sammen med U af I kandidatstuderende Yeshern Maharaj designoptimering, en computeralgoritme, at komme med en række forskellige strukturelle mønstre til forskydningslaget på et ikke-pneumatisk dæk.

De havde en computersimulering, der modellerede den elastiske reaktion på forskydningslaget. Simuleringen beregner materialets evne til at strække og vride sig.

"Vi ledte efter et højt niveau af forskydning - dvs. hvor meget belastning materialet kan tåle under tryk - men vi ønsker stivhed i aksial retning, " sagde James.

Disse fysiske pres er ikke som ældning eller forvitring på dækket, men om indre pres og stress – i det væsentlige, hvor meget pres materialet udøver på sig selv.

"Ud over et vist niveau af stress, materialet vil fejle, " sagde James. "Så vi inkorporerer stressbegrænsninger, at sikre, at uanset hvad designet er, belastningen overstiger ikke grænsen for designmaterialet.

"Der er også knækningsbegrænsninger. Hvis du har en smal, slankt medlem, sige et stag i elementet, der gennemgår kompression, der kan blive udsat for knæk. Vi har måder til matematisk at forudsige, hvilket kraftniveau der vil fremkalde knækning i strukturen og ændre det i overensstemmelse hermed. Afhængigt af, hvordan du vægter hvert af designkravene – spænding, stress, stivhed, klippe, og hver kombination af dem - vil resultere i et andet design."

Målet er et dækdesign, der kan modstå tryk, men også er elastisk til at give en tur, der ikke føles som om du kører på dæk af stål.

James forklarede, hvordan da computersimuleringen arbejder på at finde det optimale mønster, det eliminerer strukturelle mønstre, der ikke er optimale. Det begynder med en computersimuleret blok af bulkmaterialet, som dækket vil blive lavet af. Fordi en solid blok ikke har meget elasticitet, materialet er næsten skåret væk, efterlader plads til fleksibilitet.

"Hvis du skærer huller i materialet, indtil det ligner et skakternet mønster, med halvdelen af ​​materialet, du ville også have halvdelen af ​​den oprindelige stivhed, " sagde han. "Nu, hvis du laver et meget mere kompliceret mønster, du kan faktisk skræddersy stivheden."

Naturligvis, på et kontinuum fra en blok af materiale til en tynd, lacelike mønster, antallet af potentielle designs er uendeligt, men det er ikke realistisk at teste hvert design. Og, det er vigtigt at bemærke, at algoritmen ikke ender med at spytte en enkelt, optimalt design.

"Søgealgoritmer har smarte måder til strategisk at søge i designrummet, så du i sidste ende ender med at skulle teste så få forskellige designs som muligt, " sagde James. "Så, mens du tester designerne, lidt efter lidt, hvert nyt design er en forbedring i forhold til det tidligere og til sidst, et design, der er næsten optimalt."

James sagde computermodellering af en struktur som denne, eller ethvert fysisk system har kompleksitetsniveauer, der er kodet ind i modellen - en model med højere nøjagtighed med højere loyalitet er dyrere.

"Fra et beregningsmæssigt synspunkt, Vi taler generelt om den tid, det tager at køre analysen på kraftige computere, " sagde James.

Fremtidige analyser vil kræve en industri- eller forskningssamarbejdspartner.

Studiet, "Optimering af metamaterialetopologi af ikke-pneumatiske dæk med stress- og knækbegrænsninger, " er skrevet af Yeshern Maharaj og Kai James. Den er udgivet i International Journal for Numerical Methods in Engineering .