Algunos carritos de golf y cortadoras de césped ya utilizan neumáticos sin aire y al menos una importante empresa de neumáticos produce un neumático de automóvil no neumático. pero todavía tenemos un largo camino por recorrer antes de que estén en todos los vehículos que salen de la línea de ensamblaje. Encontrar un diseño que equilibre la resistencia sin pinchazos con la elasticidad necesaria para una comodidad, La clave es una conducción sin golpes, como los neumáticos convencionales.

Para abordar algunos de los problemas, Los investigadores de la Universidad de Illinois se centraron en un componente del neumático:la capa de cizallamiento, que está justo debajo de la banda de rodadura.

"La capa de cizallamiento es donde obtiene el máximo provecho de su inversión desde una perspectiva de diseño. Es donde tiene la mayor libertad para explorar configuraciones de diseño nuevas y únicas, "dijo Kai James, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Aeroespacial de la U de I.

James, junto con el estudiante de posgrado de la U de I, Yeshern Maharaj, utilizaron la optimización del diseño, un algoritmo informático, para crear una variedad de patrones estructurales para la capa de corte de una llanta no neumática.

Tenían una simulación por computadora que modeló la respuesta elástica en la capa de corte. La simulación calcula la capacidad del material para estirarse y torcerse.

"Estábamos buscando un alto nivel de cizallamiento, es decir, cuánta tensión puede soportar el material bajo presión, pero queremos rigidez en la dirección axial, "Dijo James.

Estas presiones físicas no son como el envejecimiento o la intemperie en el neumático, sino sobre la presión y el estrés internos, esencialmente, cuánta presión ejerce el material sobre sí mismo.

"Más allá de cierto nivel de estrés, el material va a fallar, ", Dijo James." Así que incorporamos restricciones de estrés, asegurando que sea cual sea el diseño, la tensión no excede el límite del material de diseño.

"También hay restricciones de pandeo. Si tiene un estrecho, miembro delgado, decir un puntal dentro del elemento, que está sufriendo una compresión que podría estar sujeta a pandeo. Tenemos formas de predecir matemáticamente qué nivel de fuerza inducirá el pandeo en la estructura y modificarlo en consecuencia. Dependiendo de cómo pondera cada uno de los requisitos de diseño:pandeo, estrés, rigidez, cortar, y cada combinación de ellos dará como resultado un diseño diferente ".

El objetivo es un diseño de llanta que pueda soportar la presión, pero que también sea elástico para brindar una conducción que no se sienta como si estuviera conduciendo con llantas de acero.

James explicó cómo, a medida que la simulación por computadora trabaja para encontrar el patrón óptimo, elimina patrones estructurales que no son óptimos. Comienza con un bloque simulado por computadora del material a granel con el que se fabricará el neumático. Debido a que un bloque sólido no tiene mucha elasticidad, el material está prácticamente cortado, dejando espacios para la flexibilidad.

"Si talla agujeros en el material hasta que parezca un patrón de tablero de ajedrez, con la mitad del material, también tendrías la mitad de la rigidez original, ", dijo." Ahora, si haces un patrón mucho más complicado, de hecho, puede adaptar la rigidez ".

Obviamente, en un continuo desde un bloque de material hasta un delgado, patrón de encaje, el número de diseños potenciales es infinito, pero no es realista probar todos los diseños. Y, Es importante tener en cuenta que el algoritmo no termina escupiendo un solo, diseño óptimo.

"Los algoritmos de búsqueda tienen formas inteligentes de buscar estratégicamente el espacio de diseño para que, en última instancia, acabe teniendo que probar la menor cantidad posible de diseños diferentes. "James dijo." Entonces, mientras prueba los diseños, gradualmente, cada nuevo diseño es una mejora con respecto al anterior y, finalmente, un diseño casi óptimo ".

James dijo que el modelado por computadora de una estructura como esta, o cualquier sistema físico tiene niveles de complejidad codificados en el modelo; un modelo de mayor precisión con mayor fidelidad es más costoso.

"Desde un punto de vista computacional, generalmente hablamos del tiempo que lleva ejecutar el análisis en computadoras de alta potencia, "Dijo James.

El análisis futuro requerirá un colaborador de la industria o la investigación.

El estudio, "Optimización de la topología de metamateriales de neumáticos no neumáticos con restricciones de tensión y pandeo, "está escrito por Yeshern Maharaj y Kai James. Está publicado en el Revista internacional de métodos numéricos en ingeniería .