KR101295753B1 - 타이어 단면 형상화 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 타이어의 목표성능을 설정하는 단계(S100); 타이어의 접지 압력을 결정하는 변수들을 설계변수로 입력하여 단면 형상 최적화 프로세스를 사용함으로써 타이어의 접지 압력이 최적화된 타이어 단면을 획득하는 제 1 최적화 단계(S200); 및 타이어의 강성, 장력 및 응력을 결정하는 변수들을 설계변수로 입력하여 상기 단면 형상 최적화 프로세스를 사용함으로써 타이어의 강성, 장력 및 응력이 최적화된 타이어 단면을 획득하는 제 2 최적화 단계(S300);를 갖추어 이루어지고, 상기 단면 형상 최적화 프로세스가, 상기 타이어의 목표성능에 따라 기본정보, 설계변수 및 목적함수를 입력하는 제 1 단계(S10); 상기 제 1 단계에서 입력된 기본정보, 설계변수 및 목적함수를 토대로 단면 형상 자동 설계 프로세스에 의해 타이어 단면의 제 1 형상을 생성하는 제 2 단계(S30); 상기 제 1 형상을 토대로 단면 형상 자동 메쉬 프로세스에 의해 타이어 단면의 제 2 형상을 생성하는 제 3 단계(S50); 및 상기 제 2 형상에 대한 유한요소 해석을 통한 결과값을 상기 목표성능과 비교하여 만족스럽지 못하다면 상기 제 1 단계에서 입력된 설계변수를 변경하여 상기 제 2 단계부터 다시 수행하고, 만족스럽다면 최적 타이어 단면을 획득함으로써 완료하는 제 4 단계(S70);를 포함하는 것을 특징으로 하는 타이어 단면 형상화 방법을 제공한다.

Description

타이어 단면 형상화 방법{FIGURATION METHOD OF TIRE CROSS SECTION}
본 발명은 타이어 성능을 예측하기 위하여 타이어 성능 예측을 위한 타이어 단면 형상화 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 타이어 단면 형상화 방법을 자동화시켜 다양한 설계변수 변경에 따른 결과를 비교, 분석하여 최적의 설계안을 찾는데 걸리는 시간을 단축시킬 수 있는 타이어 성능 예측을 위한 타이어 단면 형상화 방법에 관한 것이다.
CAD(Computer Aided Design) 및 CAE(Computer Aided Engineering)는 타이어의 코너링, 마모, 내구 등 다양한 성능을 만족하기 위해 설계 단계에서 중요한 역할을 담당하고 있다. CAD는 제조 전 설계안을 제공하며, CAE는 설계안의 결과를 예측, 판단하고 적절한 설계안을 제시한다.
도 1은 종래의 타이어 설계 방법의 플로우 차트를 도시한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래 타이어 설계는 CAD 시스템을 이용하여 타이어 단면 형상을 생성한 후, 타이어 단면 형상이 목표성능에 적합한지를 판단하기 위해 유한요소 해석법(FEM)을 이용하여 메쉬(mesh)를 생성하고 이를 해석한 후 결과를 판단하는 단계를 갖추어 이루어진다. 해석 결과가 목표한 성능에 부합하지 않으면, 단면 형상을 변경하고, 메쉬 생성, 해석, 그리고 결과 판단 과정을 반복한다.
이 방법은 설계자의 경험이나 노하우에 의해 설계 시간 및 비용이 결정되는 단점이 있다. 또한, 설계자가 도출한 설계안이 목표성능에 가장 적합한 안인지 판단하기 어려운 문제가 있다. 이를 개선하기 위해 유한요소 해석법과 최적화(Optimization) 기술이 결합되어 단면 형상을 도출하는 방법이 제안되고 있다(공개특허공보 제2009-0067709호 및 일본공개특허공보 2009-269557호). 그러나, 상기 특허 기술을 효율적으로 이용하기 위해서는 단면 형상을 자동화하는 기술과 적정한 설계안을 얻기 위한 최적화 절차가 필요하다.
본 발명은 타이어 단면 형상을 자동 설계하고 자동 메쉬하는 프로세스를 제공하고, 목표성능에 부합하는 단면 형상을 얻기 위한 최적화 프로세스를 제공하여, 설계 시간을 단축하고, 비용을 절감시킬 수 있는 타이어 단면 형상화 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 타이어 단면 형상화 방법이 자동화됨에 따라 설계자가 달라져도 동일한 결과를 도출할 수 있고, 이를 통해 다양한 설계변수 변경에 따른 결과를 비교, 분석하기 편리한 타이어 단면 형상화 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 타이어 단면 형상화 방법은 타이어의 목표성능을 설정하는 단계(S100); 타이어의 접지 압력을 결정하는 변수들을 설계변수로 설정하여 단면 형상 최적화 프로세스를 사용함으로써 타이어의 접지 압력이 최적화된 타이어 단면을 획득하는 제 1 최적화 단계(S200); 및 타이어의 강성, 장력 및 응력을 결정하는 변수들을 설계변수로 설정하여 상기 단면 형상 최적화 프로세스를 사용함으로써 타이어의 강성, 장력 및 응력이 최적화된 타이어 단면을 획득하는 제 2 최적화 단계(S300);를 갖추어 이루어지고, 상기 단면 형상 최적화 프로세스가, 상기 타이어의 목표성능에 따라 기본정보, 설계변수 및 목적함수를 입력하는 제 1 단계(S10); 상기 제 1 단계에서 입력된 기본정보, 설계변수 및 목적함수를 토대로 단면 형상 자동 설계 프로세스에 의해 타이어 단면의 제 1 형상을 생성하는 제 2 단계(S30); 상기 제 1 형상을 토대로 단면 형상 자동 메쉬 프로세스에 의해 타이어 단면의 제 2 형상을 생성하는 제 3 단계(S50); 및 상기 제 2 형상에 대한 유한요소 해석을 통한 결과값을 상기 목표성능과 비교하여 만족스럽지 못하다면 상기 제 1 단계에서 입력된 설계변수를 변경하여 상기 제 2 단계부터 다시 수행하고, 만족스럽다면 최적 타이어 단면을 획득함으로써 완료하는 제 4 단계(S70);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 타이어 단면 형상화 방법은 상기 단면 형상 자동 설계 프로세스가, 상기 기본정보를 토대로 트래드(tread) 아크(arc)를 형성하는 단계(S31); 내부 부재 게이지를 고려하여 상기 트래드 아크를 오프셋 시킴으로써 제 1 벨트 아크를 형성하는 단계(S32); 토핑 게이지를 고려하여 상기 제 1 벨트 아크를 오프셋 시킴으로써 제 2 벨트 아크를 형성하는 단계(S33); 상기 토핑 게이지 및 상기 제 2 벨트 아크를 고려하여 상기 제 1 벨트 아크를 오프셋 시킴으로써 보강 벨트 아크를 형성하는 단계(S34); 상기 제 2 벨트 아크의 두께, 상기 보강 벨트 아크의 두께 및 언더 트래드 게이지를 고려하여 상기 제 1 벨트 아크를 오프셋 시킴으로써 그루브 바닥 아크를 형성하는 단계(S35); 상기 토핑 게이지를 고려하여 상기 제 1 벨트 아크를 오프셋 시킴으로써 벨트부의 C/C 아크를 형성하는 단계(S36); C/C 평형 형상 이론을 통해 사이드 월부의 C/C 아크를 형성하는 단계(S37); 상기 사이드 월부의 C/C 아크와 비드 링의 내측 상단점이 접선을 이루도록 비드 필러 내측부의 C/C 아크를 형성하는 단계(S38); 상기 비드 필러의 종단점과 상기 비드 필러의 두께를 고려하여 비드 필러 외측부 C/C 아크를 형성하는 단계(S39); 상기 사이드 월부의 C/C 아크의 접점을 기준으로 상하부로 나누어 사이드 월 아크를 형성하는 단계(S40); 상기 벨트부의 C/C 아크, 상기 사이드 월부 C/C 아크 및 비드 필러 내측부 C/C 아크를 오프셋 시킴으로써 이너 라이너 아크를 형성하는 단계(S41); 타이어의 규격에 맞게 직선으로 비드 링을 구성하는 단계(S42); 및 상기 단계들(S31 ~ S42)을 통해 형성된 상기 타이어의 단면이 비대칭인 경우에는 반대편에서 상기 트레드 아크 형성 단계(S31)부터 다시 적용하고, 대칭인 경우에는 설계를 완료하여 상기 타이어 단면의 제 1 형상을 도출하는 단계(S43);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 타이어 단면 형상화 방법은 상기 단면 형상 자동 메쉬 프로세스가, 상기 트레드 아크에 절점을 분배하는 단계(S51); 상기 트래드 아크를 기초로 오프셋 됨에 따라 형성된 아크들에 상기 트레드 아크의 절점 갯수와 동일하게 절점을 분배하는 단계(S52); 상기 사이드 월부 C/C 아크 및 상기 사이드 월 아크에 절점을 분배하는 단계(S53); 상기 비드 필러 내외측 아크들에 상기 비드 필러 길이에 동일하게 절점을 분배하는 단계(S54); 상기 이너라이너 아크에 상기 벨트부의 C/C 아크, 상기 사이드 월부 C/C 아크 및 상기 비드 필러 내측부 C/C 아크의 절점 갯수와 동일하게 절점을 분배하는 단계(S55); 및 오프셋 관계가 성립되는 아크들은 대응되는 절점을 선택하여 반 시계 방향으로 사각형 요소를 생성하고(S56), 오프셋 관계가 성립되지 않는 아크들은 비오프셋 요소 형성 알고리즘에 의해 요소를 생성하여 상기 타이어 단면의 제 2 형상을 획득하는 단계(S57);를 갖추어 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 타이어 단면 형상화 방법은 타이어 단면 형상을 자동 설계하고 자동 메쉬하는 프로세스를 제공하고, 목표성능에 부합하는 단면 형상을 얻기 위한 최적화 프로세스를 제공하여, 설계 시간을 단축하고, 비용을 절감시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 타이어 단면 형상화 방법은 타이어 단면 형상화 방법이 자동화됨에 따라 설계자가 달라져도 동일한 결과를 도출할 수 있고, 이를 통해 다양한 설계변수 변경에 따른 결과를 비교, 분석하기 편리하다는 효과가 있다.
도 1은 종래의 타이어 단면 설계 방법의 플로우 차트이고,
도 2는 본 발명에 따른 타이어 단면 형상화 방법의 플로우 차트이고,
도 3은 본 발명에 따른 단면 형상 자동 설계 프로세스의 플로우 차트이고,
도 4는 본 발명에 따른 단면 형상 자동 설계 프로세스에서의 아크 연결 방법을 구체적으로 도시한 도면이고,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 단면 형상 자동 설계 프로세스에 의해 설계된 타이어 단면을 도시한 도면이고,
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따라 단면 형상 자동 설계 프로세스 중 비드 필러부 C/C 아크 설계 단계를 구체적으로 도시한 도면이고,
도 7은 본 발명에 따른 단면 형상 자동 메쉬 프로세스의 플로우 차트와 각 단계에서의 메쉬 형성과정을 도시한 도면이고,
도 8a은 본 발명의 일 실시예에 따라 단면 형상 자동 메쉬 프로세스 중 요소 생성을 설명하기 위한 도면이고,
도 8b는 본 발명에 따른 단면 형상 자동 메쉬 프로세스에 의해 요소를 생성하는 과정을 순차적으로 도시한 도면이다.
이하, 예시도면을 참조하면서 본 발명에 따른 각 실시예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 타이어 단면 형상화 방법의 플로우 차트이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 타이어 단면 형상화 방법은 크게 타이어의 목표성능을 설정하는 단계(S100), 접지 압력을 결정하는 변수들을 설계변수로 입력하고 단면 형상 최적화 프로세스를 사용하여 타이어의 접지 압력이 최적화된 타이어 단면을 도출하는 제 1 최적화 단계(S200) 및 제 1 최적화 단계(S200)에서 도출된 접지 압력을 결정하는 변수들을 고정값으로 입력하고, 강성, 장력 및 응력을 결정하는 변수들을 설계변수로 입력하여 단면 형상 최적화 프로세스를 다시 사용함으로써 타이어의 강성, 장력 및 응력이 최적화된 타이어 단면을 획득하는 제 2 최적화 단계(S300)를 갖추어 이루어진다.
여기서, 최적화된 타이어 단면을 형상화하는데 사용되어지는 단면 형상 최적화 프로세스는 다음과 같은 단계를 포함하여 구성된다.
먼저, 목표성능이 결정되면 접지 압력을 제어하기 위한 타이어의 개발 규격에 맞추어 기본정보, 설계변수 및 목적함수를 입력하는 제 1 단계(S10)를 수행한다. 그 후에 제 1 단계(S10)에서 입력된 기본정보, 설계변수 및 목적함수를 토대로 단면 형상 자동 설계 프로세스를 이용하여 타이어 단면의 제 1 형상을 생성하는 제 2 단계(S30)를 수행한다. 그 다음, 제 1 형상을 토대로 단면 형상 자동 메쉬 프로세스에 의해 타이어 단면의 제 2 형상을 생성하는 제 3 단계(S50)를 수행하게 된다. 그 다음, 제 2 형상에 대해 유한요소 해석을 통해 형상화된 타이어 단면의 성능이 목표성능과 비교하여 만족스러운지 판단하고, 만약 만족스럽지 못하다면 설계변수를 변경하여 제 2 단계(S30)부터 다시 수행하고, 만약 만족스럽다면 형상화를 완료하는 제 4 단계(S70)를 수행함으로써 완료된다.
이를 보다 구체적으로 살펴보면, 제 1 최적화 단계(S200)에서는 결정된 목표성능에 적합하게 접지 압력을 제어하기 위한 최적화가 수행된다. 목표성능은 타이어의 접지 압력, 강성, 장력, 응력 등을 포함할 수 있는데, 제 1 최적화 단계(S200)에서 목표로 하는 성능은 접지 압력의 최소화이다. 제 1 단계(S10)에서, 먼저 타이어의 개발 규격에 맞추어 전체 직경(OD : Overall Diameter), 섹션 폭(SW : Section Width), 림 직경(RD: Rim Diameter), 림 폭(RW : Rim Width)과 사용할 내부 부재 종류, 비드 링(Bead Ring or Bead Core)과 같은 기본적인 정보를 결정한다. 또한, 설계변수는 제 1 설계변수인 트래드 아크 반경, 트래드 아크 폭, 벨트 아크 반경을 결정하는 비례 상수(α1, α2, ...), 벨트 아크 폭(β1, β2,...)을 입력한다. 목표 함수로 접지 압력과 접지 압력의 분산을 입력하는데, 여기서 접지 압력은 수학식 1과 같이 접지부의 센터 절점에서의 압력 분산(P(X)) 값 혹은 최대 접지 압력을 이용한다.
Figure 112011006397416-pat00001
여기서, P(X)는 접지 압력 분산, Pi는 i 절점의 접지 압력, Avg.P는 평균 접지 압력, n은 접지 센터부의 절점 수를 나타낸다.
그 후에, 제 2 단계(S30)에서 단면 형상 자동 설계 프로세스에 의해 타이어 단면의 제 1 형상을 생성하게 된다. 제 3 단계(S50)에서는 제 1 형상을 단면 형상 자동 메쉬 프로세스에 입력하여 타이어 단면의 제 2 형상을 생성하게 된다. 제 4 단계(S70)에서는 제 2 형상에 대한 유한요소 해석을 통해 접지 압력을 최소화하는 것을 목표로 타이어의 성능을 검토하고 접지 압력이 최소화되었다고 판단되었을 경우 접지 압력을 결정하는 변수들인 트래드 아크 직경, 트래드 아크 폭, 벨트 아크 반경, 벨트 아크 폭을 변경하여 상기한 바와 같이 제 2 단계(S30)부터 다시 수행한다. 이러한 단면 형상 최적화 프로세스를 통해 접지 압력이 최적화된 타이어의 트래드 아크 직경, 트래드 아크 폭, 벨트 아크 반경, 벨트 아크 폭을 도출할 수 있고. 접지 압력이 최적화된 타이어 단면을 획득할 수 있다. 이렇게 도출된 접지 압력이 최적화된 설계변수는 다음의 제 2 최적화 프로세스(S300)에서 고정값으로 사용된다.
다음으로는 타이어의 강성, 장력, 응력을 최적화시키기 위한 제 2 최적화 단계(S300)를 수행하게 된다. 이때 제 1 최적화 단계(S200)에서 도출한 트래드 아크 직경, 트래드 아크 폭, 벨트 아크 반경, 벨트 아크 폭은 고정값으로 입력되고, 강성, 장력 및 응력을 결정하는 변수인 전체 직경, 섹션 폭, 구속점의 위치, 비드 필러 반경이 변경 가능한 설계변수로 입력된다. 또한, 목적함수도 강성, 장력 및 응력 산출에 적합한 함수를 결정하여 입력하게 된다.
제 2 최적화 단계(S300)도 제 1 최적화 단계(S200)와 동일한 단계를 거치게 된다. 다만 최적화시키려는 목표성능이 다르므로, 설계변수가 제 1 최적화 단계(S200)와 상이하고, 목적함수 또한 달라지게 된다. 제 2 최적화 단계(S300)에서 최적화하고자 하는 목표성능은 타이어의 강성, 장력, 응력이다. 강성은 수직 방향, 횡방향 및 회전 방향의 강성 값으로 이는 설계자에 의해 목표값이 정의되어 최종 4 단계(S70)에서는 목표값과의 일치 여부를 통해 최적화된다. 또한, 장력의 경우는 C/C 장력을 의미하고, 이는 벨트 종단으로부터 비드 링 내측 점까지 장력 분산 값과 비드 링 외측 점부터 C/C 종단의 장력 분산 값으로써 강성과 마찬가지로 설계자가 설정한 목표값과 일치하는지에 따라 최적화한다. 마지막으로, 응력의 경우는 비드 필러 종단부 요소에서의 응력값이 최소화되도록 하는 것을 목표로 한다.
도 3은 본 발명에 따른 단면 형상 자동 설계 프로세스의 플로우 차트를 도시한 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 단면 형상 자동 설계 프로세스는 크게 트래드 아크 형성 단계(S31), 제 1 벨트 아크 형성 단계(S32), 제 2 벨트 아크 형성 단계(S33), 보강 벨트 아크 형성 단계(S34), 그루브 바닥 아크 형성 단계(S35), 벨트부 C/C 아크 형성 단계(S36), 사이드 월부 C/C 아크 형성 단계(S37), 비드 필러 내측부 C/C 아크 형성 단계(S38), 비드 필러 외측부 C/C 아크 형성 단계(S39), 사이드 월 아크 형성 단계(S40), 이너라이너 아크 형성 단계(S41), 비드 링 구성 단계(S42) 및 위의 단계들(S31 ~ S42)을 통해 형성된 타이어의 단면이 비대칭인 경우에는 반대편에서 상기 트레드 아크 형성 단계(S31)부터 다시 적용하고, 대칭인 경우에는 설계를 완료하는 단계(S43)를 갖추어 이루어진다. 각 단계에 관한 구체적인 설명은 이후에 논의된다.
도 4는 본 발명에 따른 단면 형상 자동 설계 프로세스에서의 아크 연결 방법을 구체적으로 도시한 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 단면 형상 자동 설계 프로세스는 아크를 연결시키는 방법을 이용한다. 각각의 아크를 서로 연접하도록 연결하면, 아크의 반지름(R)과 센터 좌표(O), 양 종단의 좌표(P), 센터 좌표와 양 종단이 이루는 각도(θ)와 같은 정보를 컴퓨터에 저장할 수 있다. 각각의 좌표를 구하는 식은 다음과 같다.
Figure 112011006397416-pat00002
여기서, x,y는 양 종단점의 좌표(P)의 x축 및 y축 좌표이고, a,b는 센터 좌표(O)의 x축 및 y축 좌표이며, i는 절점 번호를 나타낸다. 따라서, 수학식 2를 통해 아크의 반지름(R)과 센터 좌표(O), 양 종단의 좌표(P), 센터 좌표와 양 종단이 이루는 각도(θ)의 연관관계를 알 수 있다.
아크를 오프셋 시키는 경우에도 오프셋 시키는 양을 저장함으로써 오프셋 되어 형성된 아크의 위치 정보를 정확히 저장할 수 있다. 이러한 방법을 통해 각 아크의 반지름, 좌표들, 및 각도 등이 저장되고 이는 이후에 논의될 단면 형상 자동 메쉬 프로세스에서 유용하게 사용된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 단면 형상 자동 설계 프로세스에 의해 설계된 타이어 단면을 도시한 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 타이어는 트래드, 인너라이너 고무, 사이드 월, 비드 링, 비드 고무, 림 쿠션, 카카스(Carcass), 벨트(2층), 보강 벨트(2 ~ 3층)의 일반적인 구조로 이루어진다. 여기서, 타이어 전체 직경(OD)과 타이어 섹션 폭(SW)은 타이어 사이즈에 따라 결정되는 값이며 일반적으로 동일한 길이를 갖는다. 접지되는 부분은 트래드 아크 폭(TW)과 트래드 아크 반경(TR)을 가진 곡선으로 표현된다.
먼저, 트래드 아크 형성 단계(S31)에 있어서, 트래드 아크의 전체 폭(Width)은 접지 폭과 관련 있는 값으로 타이어 규격의 폭에 70~90% 사이에서 정해진다. 단면 형상이 대칭인 경우, 도 5와 같이 트래드 아크 폭의 절반 부분을 2 ~ 5 개의 아크로 나누고, 각 아크는 접선을 이루도록 연결시키며, 반경(TR)과 폭(TW)이 다르게 조합시킨다. 트래드 아크와 벨트 아크 간의 거리(Depth)는 사용 지역의 도로 수준에 따라 다르게 설정되며, 센터부와 숄더부의 거리는 차등을 이루어 결정된다. 센터부의 거리가 숄더부 거리보다 크거나 같도록 설계하는 것이 바람직하다.
다음으로, 제 1 벨트 아크 형성 단계(S32)에 있어서, 제 1 벨트 아크는 트래드 아크를 토대로 내부 부재(트래드 고무, 보강 벨트 등) 게이지를 고려하여 오프셋 시키거나, 또는 비례 상수(벨트 아크 반경 = 트래드 아크 반경 × α)를 적용하여 결정한다. 벨트 아크 폭은 트래드 아크 폭(TW)에 의해 90 ~ 120% 내에서 가장 마지막 아크의 폭에 비례 상수(β1)를 적용하여 결정한다.
다음으로, 제 2 벨트 아크 형성 단계(S33)에 있어서, 각도가 대칭인 제 2 벨트 아크는 토핑 게이지를 고려하여 제 1 벨트 아크를 오프셋 시키고, 제 2 벨트 아크 폭은 제 1 벨트 아크 폭과 대비하여 5 ~ 10 mm 작도록 가장 마지막 아크의 폭을 감소시킨다.
다음으로, 보강 벨트 아크 형성 단계(S34)에 있어서, 보강 벨트 아크도 제 2 벨트 아크의 두께와 토핑 게이지를 고려하여 제 1 벨트 아크를 오프셋 시킴으로써 형성된다. 이는 보강 벨트가 제 1 및 제 2 벨트를 완전히 덮는 경우에 제 1 벨트 아크를 오프셋시키는 방식으로 수행된다. 보강 벨트가 제 2 벨트의 일부분만 덮고 있는 경우에는 도 5에 도시된 바와 같이 제 1 벨트 아크를 전체적으로 오프셋을 시킨 후, 보강 벨트의 시작 위치와 폭을 고려하여 아크를 재정의해야 한다.
다음으로, 그루브 바닥 아크 형성 단계(S35)에 있어서, 그루브 바닥 아크는 제 2 벨트 두께와 보강 벨트 두께, 그리고 언더(under) 트래드 게이지를 고려하여 제 1 벨트 아크를 오프셋 시킴으로써 형성된다.
다음으로, 벨트 부 C/C 아크 형성 단계(S36)에서, 벨트부의 C/C 아크도 토핑 게이지를 고려하여 제 1 벨트 아크를 오프셋 시킴으로써 형성된다.
다음으로, 사이드 월부의 C/C 아크 형성 단계(S37)에 있어서, 사이드 월부의 C/C 아크는 C/C 평형 형상 이론을 통해 계산된다. 기준점은 벨트부 C/C 아크의 종단점(벨트 포인트), 구속점(Bead Point), C/C 섹션 폭(C/C SW)을 지나도록 계산된다. 여기서, 구속점은 림플랜지 상부 아크에 접하는 수평선에서 비드 링의 내측 상단점과 외측 상단점 사이의 점을 선택하여 결정된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 계산된 결과는 C/C 섹션 폭(C/C SW)과 만나는 접점(turning point)을 기준으로 상/하부 두 개의 아크로 변환하여 저장된다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따라 단면 형상 자동 설계 프로세스 중 비드 필러 C/C 아크 설계 단계를 구체적으로 도시한 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 비드 필러 내측부의 C/C 아크를 형성하는 단계(S38)에 있어서, 비드 필러 내측부 C/C 아크는 비드 링의 내측 상단점과 사이드 월부의 C/C 아크가 접선을 이루도록 형성된다.
다음으로, 비드 필러 외측부의 C/C 아크를 형성하는 단계(S39)에 있어서, 비드 필러 외측부의 C/C 아크는 비드 필러의 종단점과 비드 필러 두께를 고려하여 스플라인(spline)으로 형성된다.
다음으로, 사이드 월 아크를 형성하는 단계(S40)에 있어서, 사이드 월 아크는 C/C 아크의 접점 지점을 기준으로 하부와 상부로 나누어 설계한다. 하부 사이드 월 아크는 C/C SW 수직 라인과 림 플랜지 라인에 접하는 아크, 비드 링 외측과 수평으로 만나는 림 플랜지 라인까지의 아크로 구성된다. 상부 사이드 월 아크는 다시 두 개의 아크로 구성된다. 제 1 벨트의 종단점에서 3 ~ 10 mm 원을 그리고, 이 원과 C/C SW 수직 라인에 접하는 아크를 그린다. 이 아크와 트래드 아크 종단점을 연결하는 아크를 생성하고 두 아크를 결합하면 상부의 사이드 월 아크를 결정할 수 있다.
다음으로, 이너 라이너 아크를 형성하는 단계(S41)에 있어서, 이너 라이너 아크는 벨트부의 C/C 아크, 사이드 월부 C/C 아크 및 비드 필러 내측부 C/C 아크를 오프셋 시킴으로써 형성될 수 있다.
다음으로, 비드 링을 구성하는 단계(S42)에 있어서, 비드 링은 타이어 규격에 따라 도 5에 도시된 바와 같이 직선으로 구성된다.
다음으로 마지막 단계(S43)는 상기와 같은 단계들(S31 ~ S42)을 통해 자동 설계된 타이어의 단면이 비대칭인 경우에는 반대편에 트레드 아크 형성 단계(S31)부터 다시 적용하고, 대칭인 경우에는 설계를 완료한다.
본 발명에 따른 타이어 단면 형상화 방법에서 설계변수는 목표성능으로 정한 기능에 적용되는 기준에 따라 선택될 수 있다. 또한, 기본적인 설계변수로는 트래드 아크 반경과 폭, 벨트 포인트/구속점 위치, 카카스 반경 등을 들 수 있다. 이때, 설계변수는 변경 가능한 범위를 설정해 주어야 하고, 범위 내에서 몇 개를 선택할지 제시해야 하며, 이 부분은 설계자의 판단에 따른다. 즉, 설계변수(TW 또는 TR 등)가 선택되고 범위 및 개수가 설정되면, 단면 형상 자동 설계 프로세스는 설계변수에 맞게 자동으로 변경되며, 자동 메쉬 프로세스 절점은 각 좌표를 저장하고 있기 때문에 설계변수 값이 변경되면 내부적으로 각 절점이 자동으로 변경된다.
도 7은 본 발명에 따른 단면 형상 자동 메쉬 프로세스의 플로우 차트를 도시한 도면이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 단면 형상이 자동으로 생성되면, 설계된 아크에 절점을 분배한다. 먼저, 오프셋이 적용되지 않은 트래드 아크에 3 ~ 6mm 간격으로 절점을 생성한다. 절점 번호는 도 8과 같이 자동 메쉬를 위해 센터에서부터 종단까지 순차적으로 매겨진다. 트래드 아크에 의해 오프셋 됨으로써 벨트 아크 등 여러 아크들이 형성되기 때문에 메쉬 형성 과정에서는 Parent Arc로 사용된다(S51).
오프셋 됨에 따라 형성된 아크들에는 제 1 벨트 아크, 제 2 벨트 아크, 보강 벨트 아크, 그루브 바닥 아크, 벨트부의 C/C 아크, 이너 라이너 아크가 있다. 이는 Parent Arc에 의해 형성되었기 때문에 메쉬 형성 과정에서는 Child Arc로 사용된다. 오프셋 됨에 따라 형성된 아크들은 Parent Arc의 절점 개수와 동일하게 분배시키고, 오프셋 된 아크 위의 절점 번호는 도 8a와 같이 Parent Arc의 절점 번호를 오프셋 시켜 저장한다(S52).
다음으로, 오프셋이 적용되지 않은 사이드 월부 C/C 아크와 사이드 월 아크에도 트레드 아크의 경우와 동일하게 3 ~ 6 mm의 범위에서 균일한 간격으로 절점을 분배한다(S53). 비드 필러부의 내외측 아크의 절점은 각각 비드 필러 길이에 동일하게 분배한다(S54).
이너라이너 아크의 경우는 트래드 아크가 Parent Arc가 아니기 때문에 이너라이너 아크의 Parent Arc인 벨트부의 C/C 아크, 사이드 월부 C/C 아크 및 비드 필러 내측부 C/C 아크의 절점 갯수와 동일한 갯수의 절점을 분배한다. 유의할 것은 제 2 벨트의 가장 마지막 아크는 제 1 벨트의 가장 마지막 아크의 절점 개수보다 1 개 적게 생성하고, 보강 벨트는 1 개를 더 많게 생성한다(S55).
도 8a은 본 발명의 일 실시예에 따라 단면 형상 자동 메쉬 프로세스 중 요소 생성을 설명하기 위한 도면이다. 도 8a에 도시된 바와 같이, Parent Arc와 Child Arc와 같이 오프셋 관계가 성립되는 아크들 사이에 요소를 채우는 방법은 반 시계 방향으로 절점을 선택하여(예 : 201 → 202 → 102 → 101) 사각형 요소를 생성시킨다(S56).
다른 오프셋 관계가 성립되지 않는 아크들간의 요소 형성방법은 비오프셋 요소 형성 알고리즘에 따라 요소를 형성한다(S57). 이는 다음과 같다. 제 2 벨트의 맨 마지막 절점에서는 삼각형 요소를 이용하여 제 1 벨트와 보강 벨트 사이를 연결한다. 제 1 벨트와 보강 벨트의 마지막 절점은 사이드 월부의 절점 중 가장 가까운 절점과 삼각형 요소로 연결한다. 비드 필러 하부의 비드 링은 해석의 단순화를 위해 요소를 생성하지 않고, 구속 조건으로 부여한다. 그루브는 생성된 아크의 절점을 이동시켜 그루브 내의 요소를 삭제하여 표현한다. 각 그루브의 위치는 센터 라인에서부터의 거리와 폭, 그리고 그루빙(grooving) 각도를 통해 정의된다.
도 8b는 본 발명에 따른 단면 형상 자동 메쉬 프로세스에 의해 요소를 생성하는 과정을 도시한 도면이다. 도 8b에 도시된 바와 같이, 단면 형상 자동 메쉬 프로세스의 과정에 따라 순차적으로 절점을 생성하고 오프셋 및 비오프셋 관계에 있는 아크들간에 요소를 생성하게 된다.
생성된 메쉬는 유한요소 해석을 수행하고, 유한요소 해석을 통해 나온 결과(접지 압력 분포, 강성, 응력, 장력의 크기 등)를 분석한 후 만족되는 안이 존재하면 설계를 완료한다(S70).
따라서, 본 발명은 기본적인 정보와 설계변수를 설정하고, 설계변수를 변경하면 타이어의 메쉬 모델이 자동으로 변경되도록 하여 설계변수의 범위(경계 조건)를 설정하고 범위 내에 속하는 다양한 모델을 동시에 해석하여 보다 빨리 원하는 성능에 찾아갈 수 있도록 하는 타이어 단면 형상화 방법을 제공한다.
아울러 본 발명의 바람직한 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가 등이 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims (3)

  1. 타이어의 목표성능을 설정하는 단계(S100);
    타이어의 접지 압력을 결정하는 변수들을 설계변수로 설정하여 단면 형상 최적화 프로세스를 사용함으로써 타이어의 접지 압력이 최적화된 타이어 단면을 획득하는 제 1 최적화 단계(S200); 및
    타이어의 강성, 장력 및 응력을 결정하는 변수들을 설계변수로 설정하여 상기 단면 형상 최적화 프로세스를 사용함으로써 타이어의 강성, 장력 및 응력이 최적화된 타이어 단면을 획득하는 제 2 최적화 단계(S300);를 갖추어 이루어지고,
    상기 단면 형상 최적화 프로세스가, 상기 타이어의 목표성능에 따라 기본정보, 설계변수 및 목적함수를 입력하는 제 1 단계(S10);
    상기 제 1 단계에서 입력된 기본정보, 설계변수 및 목적함수를 토대로 단면 형상 자동 설계 프로세스에 의해 타이어 단면의 제 1 형상을 생성하는 제 2 단계(S30);
    상기 제 1 형상을 토대로 단면 형상 자동 메쉬 프로세스에 의해 타이어 단면의 제 2 형상을 생성하는 제 3 단계(S50); 및
    상기 제 2 형상에 대한 유한요소 해석을 통한 결과값을 상기 목표성능과 비교하여 만족스럽지 못하다면 상기 제 1 단계에서 입력된 설계변수를 변경하여 상기 제 2 단계부터 다시 수행하고, 만족스럽다면 최적 타이어 단면을 획득함으로써 완료하는 제 4 단계(S70);를 포함하는 것을 특징으로 하는 타이어 단면 형상화 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 단면 형상 자동 설계 프로세스가 상기 기본정보를 토대로 트래드(tread) 아크(arc)를 형성하는 단계(S31);
    내부 부재 게이지를 고려하여 상기 트래드 아크를 오프셋 시킴으로써 제 1 벨트 아크를 형성하는 단계(S32);
    토핑 게이지를 고려하여 상기 제 1 벨트 아크를 오프셋 시킴으로써 제 2 벨트 아크를 형성하는 단계(S33);
    상기 토핑 게이지 및 상기 제 2 벨트 아크를 고려하여 상기 제 1 벨트 아크를 오프셋 시킴으로써 보강 벨트 아크를 형성하는 단계(S34);
    상기 제 2 벨트 아크의 두께, 상기 보강 벨트 아크의 두께 및 언더 트래드 게이지를 고려하여 상기 제 1 벨트 아크를 오프셋 시킴으로써 그루브 바닥 아크를 형성하는 단계(S35);
    상기 토핑 게이지를 고려하여 상기 제 1 벨트 아크를 오프셋 시킴으로써 벨트부의 C/C 아크를 형성하는 단계(S36);
    C/C 평형 형상 이론을 통해 사이드 월부의 C/C 아크를 형성하는 단계(S37);
    상기 사이드 월부의 C/C 아크와 비드 링의 내측 상단점이 접선을 이루도록 비드 필러 내측부의 C/C 아크를 형성하는 단계(S38);
    상기 비드 필러의 종단점과 상기 비드 필러의 두께를 고려하여 비드 필러 외측부 C/C 아크를 형성하는 단계(S39);
    상기 사이드 월부의 C/C 아크의 접점을 기준으로 상하부로 나누어 사이드 월 아크를 형성하는 단계(S40);
    상기 벨트부의 C/C 아크, 상기 사이드 월부 C/C 아크 및 비드 필러 내측부 C/C 아크를 오프셋 시킴으로써 이너 라이너 아크를 형성하는 단계(S41);
    타이어의 규격에 맞게 직선으로 비드 링을 구성하는 단계(S42); 및
    상기 단계들(S31 ~ S42)을 통해 형성된 상기 타이어의 단면이 비대칭인 경우에는 반대편에서 상기 트레드 아크 형성 단계(S31)부터 다시 적용하고, 대칭인 경우에는 설계를 완료하여 상기 타이어 단면의 제 1 형상을 도출하는 단계(S43);를 포함하는 것을 특징으로 하는 타이어 단면 형상화 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 단면 형상 자동 메쉬 프로세스가 상기 트레드 아크에 절점을 분배하는 단계(S51);
    상기 트래드 아크를 기초로 오프셋 됨에 따라 형성된 아크들에 상기 트레드 아크의 절점 갯수와 동일하게 절점을 분배하는 단계(S52);
    상기 사이드 월부 C/C 아크 및 상기 사이드 월 아크에 절점을 분배하는 단계(S53);
    상기 비드 필러 내외측 아크들에 상기 비드 필러 길이에 동일하게 절점을 분배하는 단계(S54);
    상기 이너 라이너 아크에 상기 벨트부의 C/C 아크, 상기 사이드 월부 C/C 아크 및 상기 비드 필러 내측부 C/C 아크의 절점 갯수와 동일하게 절점을 분배하는 단계(S55); 및
    오프셋 관계가 성립되는 아크들은 대응되는 절점을 선택하여 반 시계 방향으로 사각형 요소를 생성하고(S56), 오프셋 관계가 성립되지 않는 아크들은 비오프셋 요소 형성 알고리즘에 의해 요소를 생성하여 상기 타이어 단면의 제 2 형상을 획득하는 단계(S57);를 갖추어 이루어진 것을 특징으로 하는 타이어 단면 형상화 방법.
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