Pneumatic tire has been used predominantly for almost all ground vehicles. However, it is not without safety issues, such as run-flats. Recently a design replacing this type of tire has been introduced. This is non-pneumatic tire without air pressure. It is in the initial stage of development and requires much improvement for wide use.
In this thesis, a topology optimization is utilized to search for a sound basic layout or topology of the structure. A cell based density approach is adopted. The goal of the design is to find some optimal pattern that behaves like current pneumatic tire in terms of stiffness in various directions, such as vertical, tractive and lateral directions. A linear combination of the stiffness of three different directions is taken as the objective function, and a volume constraint is imposed. A linear elastic structure is assumed. To decrease unavoidably large amount of computational time, only a part of repeating segment, which is called pattern, is modeled bringing in some symmetry. Several values of weights for the objective function, the fractions of allowable weights and the number of patterns are studied. Both two dimensional and three dimensional models are considered.
The solutions obtained are spoke-shaped, which agrees with intuition. The detail shapes are dependent on the values used for the problem parameters. It is shown that the formulation is a very appropriate tool for the pattern design and can accept various user requirements; however, for more realistic designs, more elaborate models in both geometry and analysis are required, which will add enormous complexity.
공기압 타이어는 대부분의 차량에 쓰이고 있다. 이러한 공기압 타이어는 공기압의 유지가 안전에 직결되는 중요한 요소이다. 이에 공기압을 잃더라도 일정기간 안정성을 유지할 수 있는 런플랫 타이어가 개발되었다. 하지만 런플랫 타이어도 원천적으로 펑크를 방지하지 못하므로 이에 공기압을 사용하지 않고 타이어의 기능을 수행하는 비공압 타이어가 개발 되고 있다. 이는 현재 초기 단계로 앞으로 더 많은 연구가 수행되어야 한다.
본 연구에서는 설계를 위해 위상 최적화 방법을 사용하였고 셀을 기반으로 한 밀도법을 사용하였다. 설계의 목적으로는 현재 쓰이는 공기압 타이어의 수직 강성, 전후 방향 강성, 측면 강성을 만족하도록 하였다. 이 세 개의 강성에 각각 가중치를 곱하여 선형 합을 한 값을 목적 함수로 하여 부피제한조건을 갖는 위상 최적화 문제로 고려하였다. 계산 시간의 효율성을 고려하여 타이어가 일정 패턴을 가지도록 하나의 패턴을 설계하는 패턴 설계를 도입하였다. 그리고 2차원과 3차원 모델에 대하여 각각 적용하였다.
이로 얻어지는 설계의 세부적 위상은 설계매개변수에 따라 달라지게 된다. 따라 설계매개변수를 바꿈에 따라 목적하는 용도에 따른 설계가 가능하다. 그러나 좀 더 사실적인 설계를 위해서는 재료의 물성, 비선형 해석 등 다른 여러 사항들을 고려하여 설계하는 것이 필요하다.
