Sommige golfkarretjes en grasmaaiers gebruiken al luchtloze banden en ten minste één grote bandenfabrikant produceert een niet-pneumatische autoband, maar we hebben nog een lange weg te gaan voordat ze op elk voertuig zitten dat van de lopende band komt. Het vinden van een ontwerp dat lekvrije sterkte combineert met de elasticiteit die nodig is voor een comfortabele, schokvrij rijden zoals conventionele luchtbanden is de sleutel.

Om een ​​aantal van de problemen aan te pakken, Onderzoekers van de Universiteit van Illinois concentreerden zich op één onderdeel van de band:de schuiflaag, die zich net onder het loopvlak bevindt.

"De afschuiflaag is waar je het meeste waar voor je geld krijgt vanuit een ontwerpperspectief. Hier heb je de meeste vrijheid om nieuwe en unieke ontwerpconfiguraties te verkennen, " zei Kai James, universitair docent bij de afdeling Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek aan de U of I.

James gebruikte samen met U of I-afgestudeerde student Yeshern Maharaj ontwerpoptimalisatie, een computeralgoritme, om verschillende structurele patronen te bedenken voor de schuiflaag van een niet-luchtband.

Ze hadden een computersimulatie die de elastische respons op de schuiflaag modelleerde. De simulatie berekent het vermogen van het materiaal om uit te rekken en te draaien.

"We waren op zoek naar een hoge mate van afschuiving, dat wil zeggen, hoeveel spanning het materiaal kan hebben onder druk - maar we willen stijfheid in de axiale richting, ' zei Jacobus.

Deze fysieke druk is niet zoals veroudering of verwering van de band, maar over interne druk en spanningen - in wezen, hoeveel druk het materiaal op zichzelf uitoefent.

"Boven een bepaald niveau van stress, het materiaal zal falen, "James zei. "Dus we nemen stressbeperkingen op, ervoor te zorgen dat wat het ontwerp ook is, de spanning overschrijdt de limiet van het ontwerpmateriaal niet.

"Er zijn ook knikbeperkingen. Als je een smalle, slank lid, zeg een stut in het element, die compressie ondergaat die onderhevig kan zijn aan knikken. We hebben manieren om wiskundig te voorspellen welk krachtniveau knikken in de constructie zal veroorzaken en dienovereenkomstig aan te passen. Afhankelijk van hoe u elk van de ontwerpvereisten weegt:knikken, spanning, stijfheid, scheren, en elke combinatie daarvan zal resulteren in een ander ontwerp."

Het doel is een bandontwerp dat druk kan weerstaan, maar ook elastisch is om een ​​rit te bieden die niet het gevoel geeft dat je op stalen banden rijdt.

James legde uit hoe, aangezien de computersimulatie werkt om het optimale patroon te vinden, het elimineert structurele patronen die niet optimaal zijn. Het begint met een computergesimuleerd blok van het bulkmateriaal waaruit de band wordt gemaakt. Omdat een massief blok niet veel elasticiteit heeft, het materiaal is vrijwel weggesneden, ruimte laten voor flexibiliteit.

"Als je gaten in het materiaal kerft tot het een dambordpatroon is, met de helft van het materiaal, je zou ook de helft van de oorspronkelijke stijfheid hebben, "zei hij. "Nu, als je een veel ingewikkelder patroon maakt, je kunt de stijfheid echt aanpassen."

Blijkbaar, op een continuüm van een blok materiaal naar een dun, kantachtig patroon, het aantal mogelijke ontwerpen is oneindig, maar het is niet realistisch om elk ontwerp te testen. En, het is belangrijk op te merken dat het algoritme niet eindigt met het uitspugen van een enkele, optimaal ontwerp.

"Zoekalgoritmen hebben slimme manieren om de ontwerpruimte strategisch te doorzoeken, zodat je uiteindelijk zo min mogelijk verschillende ontwerpen hoeft te testen, ' zei James. 'Toen, terwijl je de ontwerpen test, geleidelijk, elk nieuw ontwerp is een verbetering ten opzichte van het vorige en uiteindelijk, een ontwerp dat bijna optimaal is."

James zei computermodellering van een structuur als deze, of een fysiek systeem heeft niveaus van complexiteit die in het model zijn gecodeerd - een model met een hogere nauwkeurigheid en een hogere betrouwbaarheid is duurder.

"Vanuit een computationeel oogpunt, we hebben het over het algemeen over de tijd die nodig is om de analyse uit te voeren op krachtige computers, ' zei Jacobus.

Toekomstige analyse vereist een industrie- of onderzoeksmedewerker.

De studie, "Metamateriaal topologie optimalisatie van niet-pneumatische banden met spannings- en knikbeperkingen, " is geschreven door Yeshern Maharaj en Kai James. Het is gepubliceerd in de Internationaal tijdschrift voor numerieke methoden in engineering .