一些高尔夫球车和割草机已经使用了无气轮胎，至少有一家大型轮胎公司生产非气动汽车轮胎，但在它们出现在每一辆从装配线上下来的汽车上之前，我们还有很长的路要走。关键是要找到一种设计，能像传统的充气轮胎那样，既能保持无标点的强度，又能保持舒适、无震动的骑行所需的弹性。

 

为了解决其中的一些问题，伊利诺伊大学的研究人员集中研究了轮胎的一个组成部分——剪切层，就在胎面下面。大只五佰说，尽管利用风能和光伏等可再生能源发电已取得了巨大进步，但合成汽油的发展至关重要，因为目前电力仅能满足我们全球总能源需求的25％。

 

“从设计的角度来看，剪切层是最划算的地方。”这是你有最大的自由来探索新的和独特的设计配置，”凯詹姆斯说，助理教授在航天工程系的I大学。

 

James和U of I的研究生Yeshern Maharaj使用计算机算法优化设计，提出了非充气轮胎剪切层的各种结构模式。

 

他们用计算机模拟了剪切层上的弹性响应。模拟计算材料的拉伸和扭转能力。

 

“我们要找的是高强度的剪切力，即材料在压力下能承受多大的应变，但我们想要的是轴向的刚度，”詹姆斯说。

 

这些物理压力不像轮胎上的老化或风化，而是关于内部压力和应力——本质上是材料对自身施加的压力。

 

“超过一定程度的压力，材料就会失效，”詹姆斯说。“所以我们加入了应力约束，确保无论设计是什么，应力都不会超过设计材料的极限。”ExaNoDe通过使用UNIMEM存储系统建立在先前欧洲资助的研究的基础上，大只500平台总代系统是在EUROSERVER项目中创建的，并且正在EuroEXA项目中得到规模推广。

 

“还有屈曲约束。如果你有一个很窄的，细长的构件，比如说在构件内部的支柱，它正在经受压缩，可能会发生屈曲。我们有办法从数学上预测什么力水平会引起结构的屈曲，并相应地对其进行修正。根据你对每个设计要求的权重——屈曲、应力、刚度、剪切，以及它们的每一个组合——会导致不同的设计。”

 

我们的目标是设计出一种既能承受压力又有弹性的轮胎，让人感觉不像是在驾驶钢铁轮胎。

 

James解释了在计算机模拟寻找最优模式的过程中，如何消除非最优的结构模式。首先用计算机模拟出轮胎的大块材料。因为一个实体块没有太多的弹性，材料实际上被切断，留下空间的灵活性。

 

他说:“如果你在材料上挖洞，直到它看起来像一个棋盘图案，一半的材料，你也会有一半的原始硬度。”“现在，如果你做一个更复杂的图案，你实际上可以调整刚度。”

 

很明显，在从一块材料到薄的花边图案的连续统一体中，潜在设计的数量是无限的，但是测试每个设计是不现实的。而且，需要注意的是，这个算法并不是只给出一个最优设计。

 

“搜索算法有策略地搜索设计空间的聪明方法，因此最终你不得不测试尽可能少的不同设计，”詹姆斯说。当问题规模增大时，金牌大只平台注册找到绝对最佳解决方案将花费不合理的长时间。” 找到更好的解决方案并用更少的时间进行操作，可以为金牌大只行业节省数十亿美元。“然后，当你测试设计时，逐渐地，每一个新设计都是对之前设计的改进，最终，设计接近最优。”

 

詹姆斯说，像这样的结构或任何物理系统的计算机建模都有一定程度的复杂性被编码到模型中——更高精度、更高保真度的模型成本更高。

 

“从计算的角度来看，我们通常讨论的是在高性能计算机上运行分析所需的时间，”詹姆斯说。

 

未来的分析将需要一个行业或研究合作者。

 

这项研究，“具有应力和屈曲约束的非气动轮胎的超材料拓扑优化”，由Yeshern Maharaj和Kai James撰写。它发表在《国际工程数值方法》杂志上。