Vissa golfbilar och gräsklippare använder redan högtrycksdäck och åtminstone ett stort däckföretag tillverkar ett icke-pneumatiskt fordonsdäck, men vi har fortfarande långt kvar innan de finns på varje fordon som kommer från löpande band. Att hitta en design som balanserar punkteringsfri styrka med den elasticitet som behövs för en bekväm, stötfri körning som konventionella pneumatiska däck är nyckeln.

För att ta itu med några av problemen, University of Illinois forskare fokuserade på en komponent i däcket - skjuvskiktet, som är precis under slitbanan.

"Skärningsskiktet är där du får mest valuta för pengarna ur ett designperspektiv. Det är där du har störst frihet att utforska nya och unika designkonfigurationer, sa Kai James, biträdande professor vid institutionen för flygteknik vid U of I.

James tillsammans med U of I doktorand Yeshern Maharaj använde designoptimering, en datoralgoritm, att komma med en mängd olika strukturella mönster för skjuvskiktet på ett icke-pneumatiskt däck.

De hade en datorsimulering som modellerade den elastiska responsen på skjuvskiktet. Simuleringen beräknar materialets förmåga att sträcka och vrida sig.

"Vi letade efter en hög nivå av skjuvning - det vill säga, hur mycket belastning materialet kan ta under tryck - men vi vill ha styvhet i axiell riktning, " sa James.

Dessa fysiska tryck är inte som åldrande eller vittring på däcket, men om inre press och påfrestningar – i huvudsak, hur mycket tryck materialet utövar på sig självt.

"Bortom en viss nivå av stress, materialet kommer att misslyckas, " sa James. "Så vi införlivar stressbegränsningar, se till att oavsett design, spänningen överstiger inte gränsen för designmaterialet.

"Det finns också knäckningsbegränsningar. Om du har en smal, smal medlem, säg ett strut inom elementet, som genomgår kompression som kan utsättas för buckling. Vi har sätt att matematiskt förutsäga vilken kraftnivå som kommer att inducera buckling i strukturen och modifiera den därefter. Beroende på hur du väger vart och ett av designkraven – buckling, påfrestning, styvhet, klippa, och varje kombination av dessa kommer att resultera i en annan design."

Målet är en däckdesign som tål tryck men som också är elastisk för att ge en åktur som inte känns som att du kör på däck av stål.

James förklarade hur, eftersom datorsimuleringen arbetar för att hitta det optimala mönstret, det eliminerar strukturella mönster som inte är optimala. Det börjar med ett datorsimulerat block av bulkmaterialet som däcket kommer att tillverkas av. Eftersom ett massivt block inte har mycket elasticitet, materialet är praktiskt taget bortskuret, lämnar utrymme för flexibilitet.

"Om du skär hål i materialet tills det är något som ett rutmönster, med hälften av materialet, du skulle också ha hälften av den ursprungliga styvheten, " sa han. "Nu, om du gör ett mycket mer komplicerat mönster, du kan faktiskt skräddarsy styvheten."

Självklart, på ett kontinuum från ett materialblock till ett tunt, spetsliknande mönster, antalet potentiella mönster är oändligt, men det är inte realistiskt att testa varje design. Och, det är viktigt att notera att algoritmen inte slutar med att spotta ut en enda, optimal design.

"Sökalgoritmer har smarta sätt att strategiskt söka i designutrymmet så att du i slutändan måste testa så få olika designs som möjligt, " sa James. "Då, när du testar designen, gradvis, varje ny design är en förbättring jämfört med den tidigare och så småningom, en design som är nästan optimal."

James sa att datormodellering av en struktur som den här, eller vilket fysiskt system som helst har komplexitetsnivåer inkodade i modellen – en modell med högre noggrannhet med högre tillförlitlighet är dyrare.

"Från en beräkningssynpunkt, vi pratar i allmänhet om den tid det tar att köra analysen på kraftfulla datorer, " sa James.

Framtida analys kommer att kräva en industri- eller forskningssamarbetspartner.

Studien, "Optimering av metamaterialtopologi av icke-pneumatiska däck med spännings- och bucklingsbegränsningar, " är skriven av Yeshern Maharaj och Kai James. Den är publicerad i International Journal for Numerical Methods in Engineering .