Некоторые тележки для гольфа и газонокосилки уже используют безвоздушные шины, и по крайней мере одна крупная шинная компания производит непневматические автомобильные шины, но нам еще предстоит пройти долгий путь, прежде чем они появятся на каждом транспортном средстве, сходящем с конвейера. Ключевым моментом является поиск конструкции, которая сочетает в себе прочность без проколов и эластичность, необходимую для комфортной езды без ударов, как у обычных пневматических шин.
Чтобы решить некоторые из этих проблем, исследователи Университета Иллинойса сосредоточили внимание на одном компоненте шины - сдвиговом слое, который находится сразу под протектором.
«Сдвиговый слой - это место, где вы получаете наибольшую отдачу с точки зрения дизайна. Именно здесь у вас есть наибольшая свобода для изучения новых и уникальных конфигураций дизайна», - сказал Кай Джеймс, доцент кафедры Аэрокосмическая техника в Университете им. И.
Джеймс вместе с аспирантом Университета I Ешерном Махараджем использовали оптимизацию конструкции, компьютерный алгоритм, чтобы придумать множество структурных моделей для слоя сдвига непневматической шины.
У них была компьютерная симуляция, которая моделировала упругую реакцию на слой сдвига. 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.
Эти физические нагрузки связаны не со старением или атмосферными воздействиями на шину, а с внутренним давлением и напряжениями - по сути, с тем, какое давление материал оказывает сам на себя.
«Прежде определенного уровня нагрузки материал выйдет из строя», - сказал Джеймс. «Поэтому мы включаем ограничения по напряжению, гарантируя, что какой бы ни была конструкция, напряжение не превысит предел материала конструкции.
"Существуют также ограничения изгиба. Если у вас есть узкий, тонкий элемент, скажем, стойка внутри элемента, он подвергается сжатию, которое может привести к короблению. У нас есть способы математически предсказать, какой уровень силы будет вызвать коробление в конструкции и соответствующим образом изменить ее. В зависимости от того, как вы взвешиваете каждое из проектных требований - изгиб, напряжение, жесткость, сдвиг и каждая их комбинация - вы получите другой проект."
Нашей целью является создание шины, способной выдерживать давление, но в то же время эластичной, чтобы при езде не возникало ощущения, будто вы едете на стальных шинах.
Джеймс объяснил, как компьютерное моделирование работает над поиском оптимального паттерна и устраняет неоптимальные структурные паттерны. Он начинается с смоделированного на компьютере блока сыпучего материала, из которого будет изготовлена шина. Поскольку твердый блок не обладает большой эластичностью, материал практически срезается, оставляя место для гибкости.
«Если вы вырезаете отверстия в материале, пока он не станет чем-то вроде шахматной доски, с половиной материала, вы также получите половину исходной жесткости», - сказал он. «Теперь, если вы сделаете гораздо более сложную схему, вы сможете изменить жесткость».
Очевидно, что на континууме от куска материала до тонкого, похожего на кружево рисунка, количество возможных дизайнов бесконечно, но протестировать каждый дизайн нереально. И важно отметить, что алгоритм не заканчивается созданием единственного оптимального проекта.
«Алгоритмы поиска имеют хитрые способы стратегического поиска в пространстве дизайна, так что в конечном итоге вам придется тестировать как можно меньше разных дизайнов», - сказал Джеймс. «Затем, когда вы постепенно тестируете проекты, каждый новый дизайн является улучшением предыдущего и, в конечном итоге, проектом, который близок к оптимальному».
Джеймс сказал, что компьютерное моделирование структуры, подобной этой, или любой другой физической системы имеет уровни сложности, закодированные в модели - более точная модель с более высокой точностью является более дорогостоящей.
"С вычислительной точки зрения мы обычно говорим о времени, необходимом для проведения анализа на мощных компьютерах", - сказал Джеймс.
Для будущего анализа потребуется сотрудник из отрасли или исследовательской компании.