Чтобы решить некоторые проблемы, исследователи из Университета Иллинойса сосредоточили внимание на одном компоненте шины – сдвиговом слое, который находится непосредственно под протектором.
"Слой сдвига – это то, где вы получаете максимальную отдачу от вложенных средств с точки зрения дизайна. «Здесь у вас будет наибольшая свобода для изучения новых и уникальных конфигураций дизайна», – сказал Кай Джеймс, доцент кафедры аэрокосмической техники в U of I.
Джеймс вместе с аспирантом U of I Ешерном Махараджем использовали оптимизацию конструкции, компьютерный алгоритм, чтобы придумать различные структурные шаблоны для слоя сдвига непневматической шины.
У них было компьютерное моделирование, которое моделировало упругую реакцию на сдвиговом слое. Моделирование рассчитывает способность материала растягиваться и скручиваться.
«Мы искали высокий уровень сдвига – то есть, какую деформацию материал может выдержать под давлением, – но нам нужна жесткость в осевом направлении», – сказал Джеймс.
Это физическое давление не похоже на старение или выветривание шины, а связано с внутренним давлением и напряжениями – по сути, с тем, какое давление материал оказывает на себя.
«После определенного уровня стресса материал выйдет из строя», – сказал Джеймс. "Таким образом, мы включаем ограничения напряжения, гарантируя, что независимо от конструкции, напряжение не превышает предел материала конструкции.
"Есть также ограничения потери устойчивости.
Если у вас узкий и тонкий элемент, скажем, распорка внутри элемента, которая подвергается сжатию, что может привести к короблению. У нас есть способы математически предсказать, какой уровень силы вызовет коробление в конструкции, и изменить его соответствующим образом.
В зависимости от того, как вы взвешиваете каждое из проектных требований – изгиб, напряжение, жесткость, сдвиг и любое их сочетание – приведет к разной конструкции."
Цель состоит в том, чтобы конструкция шины выдерживала давление, но при этом была эластичной, чтобы при езде не было ощущения, будто вы едете на стальных шинах.
Джеймс объяснил, как компьютерное моделирование помогает найти оптимальную модель и устраняет неоптимальные структурные модели.
Он начинается с компьютерно смоделированного блока сыпучего материала, из которого будет изготовлена шина. Поскольку цельный блок не обладает большой эластичностью, материал практически срезается, оставляя пространство для гибкости.
«Если вы сделаете отверстия в материале, пока он не станет чем-то вроде шахматной доски, с половиной материала, у вас также будет половина исходной жесткости», – сказал он. "Теперь, если вы сделаете гораздо более сложный узор, вы действительно можете настроить жесткость."
Очевидно, что в континууме от блока материала до тонкого кружевного узора количество потенциальных дизайнов бесконечно, но проверить каждый дизайн нереально. И важно отметить, что алгоритм не заканчивается выдачей единственного оптимального дизайна.
«У алгоритмов поиска есть умные способы стратегического поиска в пространстве дизайна, так что в конечном итоге вам придется тестировать как можно меньше различных дизайнов», – сказал Джеймс. "Затем, по мере того, как вы тестируете проекты, постепенно каждый новый дизайн является улучшением предыдущего и, в конечном итоге, становится почти оптимальным."
Джеймс сказал, что компьютерное моделирование такой структуры или любой физической системы имеет уровни сложности, закодированные в модели – модель с более высокой точностью и более высокой точностью обходится дороже.
«С вычислительной точки зрения мы обычно говорим о времени, которое требуется для выполнения анализа на мощных компьютерах», – сказал Джеймс.
Для будущего анализа потребуется отраслевой или исследовательский сотрудник.