[論文レビュー] Effect of spoke design and material nonlinearity on non-pneumatic tire stiffness and durability performance

Priyankkumar Dhrangdhariya, Soumyadipta Maiti+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2021

Mechanical Engineering and Vibrations Research被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、ANSYS 16.0を用いた3次元有限要素解析を用いて、スポークの幾何形状およびポリウレタン（PU）材料の非線形性がノン・ニューマティックタイヤの性能に与える影響を調査した。結果から、ムーニー・リヴリン5パラメータモデルがPUの非線形性を最も正確に捉え、非線形材料と最適なUPTISスポーク設計の組み合わせが、優れた剛性、耐久性、乗り心地を実現することが明らかになった。

ABSTRACT

Non-pneumatic tire has been widely used due to their advantages of no run-flat, no need of air maintenance, low rolling resistance, and improvement of passengers comfort due to its better shock absorption. It has variety of application in the military vehicle, earthmovers, lunar rover, stair climbing vehicles etc. Recently UPTIS (Unique Puncture-Proof Tire System) non pneumatic tire has been introduced for passenger vehicles. In this study three different design configuration Tweel, Honeycomb and newly developed UPTIS have been compared. Effect of Polyurethane (PU) material nonlinearity have also been introduced by applying 5 different nonlinear PU material property in the spokes. The combined analysis of the PU material nonlinearity and spoke design configuration on the overall tire stiffness and spoke damage prediction is analysed using 3-Dimensional FEM simulations performed in ANSYS 16.0. It has been observed that Mooney Rivlin 5-parameter model is best to capture all 5 studied PU materials the nonlinearity. Effect of material nonlinearity on various spoke designs have been studied. The best combination of spoke design and the use of nonlinear material have been suggested in terms of riding comfort, tire stiffness and durability performance.

研究の動機と目的

• 異なるスポーク設計（Tweel、ハニカム、UPTIS）がノン・ニューマティックタイヤの機械的性能に与える影響を評価すること。
• ポリウレタン（PU）材料の非線形性がタイヤの剛性および耐久性に与える影響を評価すること。
• 乗り心地および構造的性能の向上を図るため、スポーク幾何形状と非線形材料特性の最適な組み合わせを特定すること。
• ムーニー・リヴリン5パラメータモデルが、多様なPU材料の挙動を正確に表現できるかを検証すること。
• 耐久性を向上させるとともに動的荷重効果を低減するノン・ニューマティックタイヤの設計指針を提供すること。

提案手法

• ANSYS 16.0を用いて、ノン・ニューマティックタイヤ構造の3次元有限要素法（FEM）シミュレーションを実施した。
• 同一の荷重条件の下で、3つのスポーク構成（Tweel、ハニカム、UPTIS）を評価した。
• ポリウレタン（PU）に5種類の非線形材料モデルを適用した。
• 応力分布、変形、損傷発生の評価を目的とした静的および耐久性シミュレーションを実施した。
• 5種の異なるPU材料の非線形応力-ひずみ挙動をフィットおよび表現するために、ムーニー・リヴリン5パラメータモデルを用いた。
• シミュレーション結果をタイヤの剛性、エネルギー吸収、予測されたスポーク破壊モードと照合した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なるスポーク設計（Tweel、ハニカム、UPTIS）は、ノン・ニューマティックタイヤの剛性および耐久性にどのように影響を与えるか？
• RQ2 ポリウレタン材料の非線形性は、静的および繰り返し荷重下でのタイヤ性能にどの程度影響を与えるか？
• RQ3 スポーク幾何形状とPU材料モデルのどの組み合わせが、剛性、耐久性、乗り心地のバランスを最も良くするか？
• RQ4 ムーニー・リヴリン5パラメータモデルは、タイヤのスポークに使用される複数のPU材料の非線形挙動を正確に表現できるか？
• RQ5 実際の荷重条件下におけるスポーク部品の主な破壊モードは何か、またそれらは設計および材料の違いによってどのように変化するか？

主な発見

• ムーニー・リヴリン5パラメータモデルが、全5種の試験されたポリウレタン材料における非線形応力-ひずみ挙動を最も正確に表現した。
• UPTISスポーク設計は、Tweelおよびハニカム構成と比較して、優れた剛性と低い応力集中を示した。
• 非線形材料挙動は、エネルギー吸収および応力分布に顕著な影響を与え、スポーク内のピーク応力を低減した。
• UPTISスポーク幾何形状と非線形PU材料の組み合わせが、予測された損傷インデックスが最小となり、耐久性の向上が見られた。
• 応力集中はTweel設計において最も顕著であり、特にスポーク根元の接合部に顕著で、破壊リスクが高くなる傾向が示された。
• シミュレーション結果から、実際のタイヤ性能および耐久性を予測するには、材料の非線形性を正確に捉える必要があることが明らかになった。