Alguns carrinhos de golfe e cortadores de grama já usam pneus sem ar e pelo menos uma grande empresa de pneus produz um pneu automotivo não pneumático, mas ainda temos um longo caminho a percorrer antes de chegarem a todos os veículos que saem da linha de montagem. Encontrar um design que equilibra a resistência livre de perfurações com a elasticidade necessária para um conforto, um passeio sem choques, como os pneus convencionais, é a chave.

Para resolver alguns dos problemas, Pesquisadores da Universidade de Illinois se concentraram em um componente do pneu - a camada de cisalhamento, que está logo abaixo da banda de rodagem.

"A camada de cisalhamento é onde você obtém o maior retorno do seu investimento do ponto de vista do design. É onde você tem mais liberdade para explorar configurações de design novas e exclusivas, "disse Kai James, professor assistente no Departamento de Engenharia Aeroespacial da Universidade de I.

James, juntamente com o estudante de graduação da Universidade de I, Yeshern Maharaj, usaram a otimização de design, um algoritmo de computador, para criar uma variedade de padrões estruturais para a camada de cisalhamento de um pneu não pneumático.

Eles tiveram uma simulação de computador que modelou a resposta elástica na camada de cisalhamento. A simulação calcula a capacidade do material de esticar e torcer.

"Estávamos procurando um alto nível de cisalhamento, isto é, quanta tensão o material pode suportar sob pressão, mas queremos rigidez na direção axial, "Disse James.

Essas pressões físicas não são como envelhecimento ou desgaste do pneu, mas sobre pressão interna e tensões - essencialmente, quanta pressão o material exerce sobre si mesmo.

"Além de um certo nível de estresse, o material vai falhar, "Disse James." Então, incorporamos restrições de estresse, garantindo que qualquer que seja o design, a tensão não excede o limite do material de design.

"Também existem restrições de flambagem. Se você tiver um estreito, membro esguio, diga um suporte dentro do elemento, que está passando por compressão que pode estar sujeita a deformação. Temos maneiras de prever matematicamente qual nível de força vai induzir a flambagem na estrutura e modificá-la de acordo. Dependendo de como você pondera cada um dos requisitos de design - flambagem, estresse, rigidez, cisalhar, e cada combinação desses - resultará em um design diferente. "

O objetivo é um projeto de pneu que possa resistir à pressão, mas também seja elástico para proporcionar uma direção que você não sinta como se estivesse dirigindo com pneus de aço.

James explicou como, enquanto a simulação de computador trabalha para encontrar o padrão ideal, elimina padrões estruturais que não são ideais. Ele começa com um bloco simulado por computador do material a granel do qual o pneu será feito. Porque um bloco sólido não tem muita elasticidade, o material é virtualmente cortado, deixando espaços para flexibilidade.

"Se você fizer buracos no material até que fique parecido com um padrão de tabuleiro de xadrez, com metade do material, você também teria metade da rigidez original, "disse ele." Agora, se você fizer um padrão muito mais complicado, você pode personalizar a rigidez. "

Obviamente, em um continuum de um bloco de material a um fino, padrão de laço, o número de projetos potenciais é infinito, mas não é realista testar todos os designs. E, é importante notar que o algoritmo não termina apresentando um único, design ideal.

"Os algoritmos de pesquisa têm maneiras inteligentes de pesquisar estrategicamente o espaço do projeto para que, no final das contas, você tenha que testar o menor número possível de projetos diferentes, "Disse James." Então, enquanto você testa os designs, gradualmente, cada novo design é uma melhoria em relação ao anterior e, eventualmente, um design quase ideal. "

James disse que a modelagem por computador de uma estrutura como esta, ou qualquer sistema físico tem níveis de complexidade codificados no modelo - um modelo de maior precisão com maior fidelidade é mais caro.

"Do ponto de vista computacional, geralmente estamos falando sobre o tempo que leva para executar a análise em computadores de alta potência, "Disse James.

A análise futura exigirá um colaborador da indústria ou de pesquisa.

O estudo, "Otimização da topologia de metamaterial de pneus não pneumáticos com restrições de tensão e flambagem, "foi escrito por Yeshern Maharaj e Kai James. Foi publicado no Revista Internacional de Métodos Numéricos em Engenharia .