Algunos carritos de golf y cortadoras de césped ya usan neumáticos sin aire y al menos una de las principales compañías de neumáticos produce un neumático automotriz no neumático, pero todavía tenemos mucho camino por recorrer antes de que estén en cada vehículo que sale de la línea de montaje. Encontrar un diseñoque equilibra la fuerza libre de pinchazos con la elasticidad necesaria para una conducción cómoda y sin golpes, como los neumáticos convencionales es la clave.
Para abordar algunos de los problemas, los investigadores de la Universidad de Illinois se centraron en un componente del neumático: la capa de corte, que está justo debajo de la banda de rodadura.
"La capa de cizalla es donde obtienes el máximo rendimiento desde tu perspectiva de diseño. Es donde tienes más libertad para explorar configuraciones de diseño nuevas y únicas", dijo Kai James, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Aeroespacial deU de I.
James junto con U del estudiante de posgrado Yeshern Maharaj utilizó la optimización del diseño, un algoritmo informático, para crear una variedad de patrones estructurales para la capa de corte de un neumático no neumático.
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 interna y las tensiones, esencialmente, cuánta presión ejerce el material sobre sí mismo.
"Más allá de cierto nivel de tensión, el material fallará", dijo James. "Así que incorporamos restricciones de tensión, asegurando que cualquiera que sea el diseño, la tensión no exceda el límite del material de diseño.
"También hay restricciones de pandeo. Si tiene un miembro estrecho y delgado, digamos un puntal dentro del elemento, está sufriendo compresión que podría estar sujeto a pandeo. Tenemos formas de predecir matemáticamente qué nivel de fuerza va a inducir pandeo enla estructura y modifíquela en consecuencia. Dependiendo de cómo pese cada uno de los requisitos de diseño pandeo, tensión, rigidez, cizallamiento y cada combinación de ellos se obtendrá un diseño diferente ".
El objetivo es un diseño de neumático que pueda resistir la presión, pero que también sea elástico para proporcionar una conducción que no se siente como si estuvieras conduciendo con neumáticos de acero.
James explicó cómo, a medida que la simulación por computadora funciona para encontrar el patrón óptimo, elimina los patrones estructurales que no son óptimos. Comienza con un bloque simulado por computadora del material a granel del que estará hecho el neumático. Debido a un bloque sólidono tiene mucha elasticidad, el material está prácticamente cortado, dejando espacios para la flexibilidad.
"Si talla agujeros en el material hasta que sea algo así como un patrón de tablero de ajedrez, con la mitad del material, también tendría la mitad de la rigidez original", dijo. "Ahora, si lo hace mucho más complicadopatrón, puedes adaptar la rigidez "
Obviamente, en un continuo desde un bloque de material hasta un patrón delgado, la cantidad de diseños potenciales es infinita, pero no es realista probar cada diseño. Y, es importante tener en cuenta que el algoritmo no termina porescupiendo un diseño único y óptimo.
"Los algoritmos de búsqueda tienen formas inteligentes de buscar estratégicamente el espacio de diseño para que finalmente tenga que probar la menor cantidad posible de diseños diferentes", dijo James. "Luego, a medida que prueba los diseños, gradualmente, cada nuevo diseño es unmejora con respecto al anterior y, finalmente, un diseño que es 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 estamos hablando del tiempo que lleva ejecutar el análisis en computadoras de alta potencia", dijo James.
El análisis futuro requerirá una industria o un colaborador de investigación.
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Materiales proporcionado por Facultad de Ingeniería de la Universidad de Illinois . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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