[논문 리뷰] Effect of spoke design and material nonlinearity on non-pneumatic tire stiffness and durability performance

Priyankkumar Dhrangdhariya, Soumyadipta Maiti외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 05.

Mechanical Engineering and Vibrations Research인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 ANSYS 16.0을 사용한 3차원 유한요소 해석을 통해 스폰지 기하학적 형상과 폴리우레탄(PU) 재료의 비선형성 영향을 비공기압 타이어 성능에 미치는 영향을 조사한다. 결과적으로 Mooney-Rivlin 5매개변수 모델이 PU의 비선형성을 가장 잘 반영하며, 비선형 재료와 함께 최적의 UPTIS 스폰지 설계 조합이 뛰어난 스태티크성, 내구성 및 승차감을 제공함을 확인하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다양한 스폰지 설계( Tweel, Honeycomb, UPTIS)가 비공기압 타이어의 기계적 성능에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 폴리우레탄(PU) 재료의 비선형성이 타이어의 스태티크성과 내구성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 승차감 향상과 구조적 성능 향상을 위해 최적의 스폰지 기하학적 형상과 비선형 재료 특성 조합을 규명하기 위해.
• Mooney-Rivlin 5매개변수 모델이 다양한 PU 재료 거동을 표현하는 데 정확한지 검증하기 위해.
• 향상된 내구성과 동적 하중 영향 감소를 위한 비공기압 타이어 설계 지침을 제공하기 위해.

제안 방법

• ANSYS 16.0을 사용한 3차원 유한요소법(FEM) 시뮬레이션을 통해 비공기압 타이어 구조를 모델링하였다.
• 동일한 하중 조건에서 세 가지 스폰지 구형(Tweel, Honeycomb, UPTIS)을 평가하였다.
• Mooney-Rivlin 5매개변수 모델을 포함한 다섯 가지 비선형 재료 모델을 폴리우레탄(PU)에 적용하였다.
• 스토레스 분포, 변형, 손상 기초를 평가하기 위해 정적 및 내구성 시뮬레이션을 수행하였다.
• 다섯 가지의 서로 다른 PU 재료의 비선형 응력-변형률 거동을 피팅하고 표현하기 위해 Mooney-Rivlin 5매개변수 모델을 사용하였다.
• 시뮬레이션 결과를 타이어의 스태티크성, 에너지 소산 및 예측된 스폰지 고장 모드와 연관지었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 스폰지 설계(Tweel, Honeycomb, UPTIS)는 비공기압 타이어의 스태티크성과 내구성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 정적 및 순환 하중 조건 하에서 폴리우레탄 재료의 비선형성은 타이어 성능에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ3 스폰지 기하학적 형상과 PU 재료 모델의 어떤 조합이 스태티크성, 내구성 및 승차감 사이의 최적 균형을 이룰 수 있는가?
• RQ4 Mooney-Rivlin 5매개변수 모델은 타이어 스폰지에 사용되는 다수의 PU 재료의 비선형 거동을 정확히 표현할 수 있는가?
• RQ5 실제 하중 조건 하에서 스폰지 부품의 주요 고장 모드는 무엇이며, 설계와 재료에 따라 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• Mooney-Rivlin 5매개변수 모델이 테스트된 다섯 가지 PU 재료 전반에서 비선형 응력-변형률 거동을 가장 정확하게 반영하였다.
• UPTIS 스폰지 설계는 Tweel 및 Honeycomb 구조에 비해 뛰어난 스태티크성과 낮은 응력 집중을 보였다.
• 비선형 재료 거동은 에너지 흡수 및 응력 분포에 크게 영향을 미쳐 스폰지의 최대 응력 감소에 기여하였다.
• UPTIS 스폰지 기하학적 형상과 비선형 PU 재료의 조합이 예측된 손상 지수를 가장 낮게 유지하여 내구성 향상을 시사하였다.
• 응력 집중은 Tweel 설계에서 특히 스폰지 루트 접합부에서 가장 뚜렷하여 고장 위험이 높음을 시사하였다.
• 시뮬레이션 결과는 재료의 비선형성을 정확히 반영하지 않으면 현실적인 타이어 성능과 내구성을 예측할 수 없다는 점을 입증하였다.