伊利诺伊大学研究非气动轮胎剪切层 提供多种结构模式

（图源：Illinois官网）

现在，一些高尔夫球车和割草机已经开始使用无气轮胎，而且至少有一家大型轮胎公司正在生产非气动汽车轮胎。然而，要在汽车上推广使用非气动、无爆胎轮胎，还有很长的路要走。关键是找到一种设计，使其能像传统充气轮胎那样，既拥有无穿刺强度，又能保持弹性，保证舒适、无震动行驶。

据外媒报道，伊利诺伊大学（University of Illinois）的研究人员重点研究轮胎的剪切层（就在胎面下面），以解决部分问题。该校航天工程系助理教授Kai James和研究生Yeshern Maharaj，通过计算机算法优化设计，为非充气轮胎的剪切层提供多种结构模式。他们通过计算机模拟，模仿剪切层的弹性响应，计算材料拉伸力和扭曲能力。

James说：“我们正在寻找高强度剪切力，即材料在压力下能承受多大的应变，我们想要的是轴向刚度。”这些物理压力，不同于轮胎老化或风化，而是与内部应力和压力有关。本质上来说，是材料对自身施加的压力有多大。James表示：“如果压力超过一定程度，材料就会失效。所以，我们引入压力约束，确保在任何一种设计下，压力都不会超过材料极限。”

“还有屈曲约束。如果你有一个狭窄细长的构件，比如说某个元件内部的支柱，对它进行压缩时，有可能出现变形。我们有办法从数学上预测，多大的力能引起结构屈曲，并进行相应的调整。根据你对每个设计的要求权重，比如屈曲、压力、刚度、剪切，及其任意组合，可以进行不同的设计。”

他们的目标是设计出一种既能承受压力、又有弹性的轮胎，让人感觉不到像是在驾驶钢铁轮胎。James解释了如何通过计算机仿真来找到最佳模式，去除次等结构模式。首先，通过计算机模拟将要用来制造轮胎的大块材料。因为固体块状材料弹性不大，材料几乎被切断了，才能留出一定的弹性空间。他说：“如果你在材料上挖洞，直到它看起来像个棋盘一样，利用一半的材料，你也可以得到一半的原始硬度。现在，如果把图案做得更复杂，确实可以调整刚度。”

显而易见，从一大块材料变成薄薄的、类似花边图案的连续体，其中潜在的设计数量是无限的，但是，要对每一种设计都进行测试，这不现实。而且，需要注意的是，这种算法可以得出不止一种最优设计。James表示：“搜索算法可以有策略地搜索设计空间，尽可能帮助减少所测试的设计种类。当你测试不同的设计方法时，每一个新设计都是对之前的改进，最终得到接近最优化的结果。”

James说，像这样的计算机结构建模，或任何物理系统，在编码至模型时都有一定程度的复杂性。模型的精度和保真度越高，成本越高。“从计算的角度来看，我们通常讨论的是，在高性能计算机上进行分析所需的时间。”研究人员正在寻找行业或研究合作者，以继续进行相关分析。