KR101434665B1 - 타이어 트래드 형상의 최적화 설계방법 - Google Patents

Abstract

개시된 내용은 타이어 트래드 형상의 최적화 설계방법에 관한 것으로서, 트래드 형상의 자동 변경 및 최적화와 관련된 설계프로그램이 구비된 컴퓨터는 설계자의 조작을 확인하여 트래드 형상 설계를 위한 설계변수, 구속조건, 목적함수를 설정하고, 이를 토대로 타이어 트래드 단면 형상과 접지 압력을 자동으로 조정하고, 자동으로 변경된 타이어 트래드 형상의 접지 성능을 기설정된 유한 요소 모델을 토대로 해석하여 분석하고, 분석된 결과와 기설정된 타이어 트래드 형상의 목표 성능을 비교하여, 비교 결과가 성능 평가를 위한 오차 범위 이내로 만족하지 못하면 트래드 형상 변경을 반복 수행하고, 만족하면 타이어 트래드 형상을 최종 결정한다.
따라서, 본 발명은 컴퓨터를 이용한 최적의 트래드 형상을 얻을 수 있으며, 이에 따라 기존의 반복 설계에 의해 소요되는 시간을 대폭 감소함은 물론, 소요되는 비용을 절감할 수 있다.

Description

타이어 트래드 형상의 최적화 설계방법{Design method of optimizing tire tread shape}

본 발명은 타이어 트래드의 형상을 자동으로 변경하고 최적화하여 설계하도록 하는 타이어 트래드 형상의 최적화 설계방법에 관한 것이다.

일반적으로 CAD(Computer Aided Design)는 타이어의 코너링, 마모, 내구 등 다양한 성능을 만족하기 위해 설계 단계에서 중요한 역할을 담당하고 있다.

기존의 타이어 설계는 이처럼 CAD 시스템을 이용하여 타이어 단면 형상을 생성하고, 단면 형상이 목표 성능에 적합한지를 판단하기 위해 유한 요소법(FEM; Finite Element Method)을 이용하여 메쉬(mesh, 요소망)를 생성하고, 해석한 후 결과를 판단한다. 그리고 해석 결과가 성능에 부합하지 않으면, 단면 형상을 변경하고, 메쉬 생성, 해석, 결과 판단 과정을 반복하여 수행한다.

하지만, 이러한 방법은 설계자의 경험이나 노하우에 의해 설계 시간 및 비용이 결정되는 문제점이 있었다. 또한, 설계자가 도출한 설계안이 목표 성능에 가장 적합한 것인지를 판단하기 어려운 문제점이 있었다.

따라서 최근에는 이를 개선하기 위하여 대한민국 공개특허공보 제10-2009-0067709호, 일본국 공개특허공보 제2009-269557호 등의 선행기술문헌에서와 같이 유한 요소법과 최적화(optimization) 기술을 결합하여 단면 형상을 도출하는 방식이 제안되었다.

그러나, 상술한 바와 같은 유한 요소법과 최적화 기술을 결합하여 단면 형상을 도출하는 방식 또한, 트래드 단면 형상을 자동으로 변경하여 원하는 접지 형상이나, 접지 압력을 조정하는 등의 기술을 제공하지는 못하였다.

대한민국 공개특허공보 제10-2009-0067709호 2009. 6. 25 일본국 공개특허공보 제2009-269557호 2009. 11. 19

본 발명은, 트래드 단면 형상을 자동으로 변경하여 원하는 접지 형상, 접지 압력을 조정할 수 있는 타이어 트래드 형상의 최적화 설계방법을 제공한다.

본 발명은, 타이어 유한요소모델을 이용하여 타이어의 트래드 형상을 자동으로 변경하고 최적화할 수 있도록 하는 타이어 트래드 형상의 최적화 설계방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 타이어 트래드 형상의 최적화 설계방법은, (1) 트래드 형상의 자동 변경 및 최적화와 관련된 설계프로그램이 구비된 컴퓨터는, 설계자의 조작을 확인하여 트래드 형상 설계를 위한 설계변수, 구속조건, 목적함수를 설정하는 단계와, (2) 컴퓨터는, (1) 단계에서 설정된 정보를 토대로 타이어 트래드 단면 형상과 접지 압력을 자동으로 조정하는 단계와, (3) 컴퓨터는, (2) 단계에서 자동으로 변경된 타이어 트래드 형상의 접지 성능을 기설정된 유한 요소 모델을 토대로 해석하고, 그 해석결과를 분석하는 단계, 그리고 (4) 컴퓨터는, (3) 단계에서 분석된 결과와 기설정된 타이어 트래드 형상의 목표 성능을 비교하고, 비교 결과가 성능 평가를 위한 오차 범위 이내로 만족하지 못하면 (2) 단계 이후를 반복 수행하고, 만족하면 타이어 트래드 형상을 최종 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

그리고 상술한 (2) 단계는, (2-1) 유한 요소 모델에 저장된 정보를 획득하는 단계와, (2-2) (2-1) 단계에서 획득한 정보를 이용하여 트래드 경계선을 추출하는 단계와, (2-3) (2-2) 단계에서 추출한 트래드 경계선에서 리브와 그루브의 위치를 판단하고, 위치 판단결과를 토대로 각 리브별 절점을 저장하는 단계와, (2-4) (2-3) 단계에서 저장한 각 리브별 절점을 이용하여 각 리브별 아크를 계산하고, 계산된 각 리브별 아크 중 어느 하나의 아크를 선택하는 단계와, (2-5) (2-4) 단계에서 선택된 아크를 기설정된 임의의 거리만큼 오프셋시키는 단계와, (2-6) (2-3) 단계에서 선택된 아크의 리브 시작점과 (2-5) 단계에서 오프셋시킨 아크의 원점을 잇는 직선을 이용하여 분할점을 설정하는 단계와, (2-7) (2-6) 단계에서 설정된 분할점과 (2-3) 단계에서 선택된 아크의 리브 시작점 및 끝점을 잇는 아크를 생성하는 단계와, (2-8) (2-7) 단계에서 생성된 아크의 원점에서 절점 방향으로 절점을 이동시키는 단계, 그리고 (2-9) (2-8) 단계에서 변경된 절점을 유한 요소 모델에 저장하는 단계를 포함할 수 있다.

그리고 상술한 (2-1) 단계에서 획득하는 정보는, 절점번호, 절점 좌표값, 요소번호, 요소번호와 연결된 절점번호, 각 부재의 요소번호를 포함한 정보인 것이 바람직하다.

그리고 (2-2) 단계에서 트래드 경계선을 추출할 때, 요소와, 요소와 연결된 절점을 이용하여 트래드 경계선을 추출하되, 다른 요소의 직선과 공유되지 않은 트래드 부재의 직선만을 추출하여 정렬하는 것이 바람직하다.

그리고 (2-3) 단계에서 각 리브별 절점을 저장할 때, 직선에서의 각도 변화를 토대로 리브와 그루브의 위치를 판단하되, 각도 변화가 기설정된 각도 이상이고 높이 차가 기설정된 높이 차 이상인 경우 그루브로 판단하고, 아니면 리브로 판단하며, 판단결과를 토대로 그루브의 절점을 삭제하여 각 리브별 절점을 저장하는 것이 바람직하다.

이때 그루브 판단을 위한 각도는 30도, 높이 차는 3mm로 설정하는 것이 바람직하다.

그리고 (2-4) 단계에서 각 리브별 아크를 계산한 후, 어느 하나의 아크를 선택할 때, 리브의 시작점, 끝점, 그리고 시작점과 끝점 사이의 각 내부 절점을 통해 아크를 계산하며, 시작점과 끝점, 그리고 내부 절점을 이용하여 계산된 각 아크 중 가장 작은 아크를 선택하는 것이 바람직하다.

이상에서와 같이 본 발명의 타이어 트래드 형상의 최적화 설계방법에 따르면, 유한요소모델을 이용하여 타이어 트래드 형상을 자동으로 변경하고 최적화함으로써, 컴퓨터를 이용한 최적의 트래드 형상을 얻을 수 있으며, 이에 따라 기존의 반복 설계에 의해 소요되는 시간을 대폭 감소함은 물론, 소요되는 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 타이어 트래드 형상의 최적화 설계방법의 동작과정을 상세하게 나타낸 순서도,
도 2는 도 1의 트래드 형상 변경의 동작과정을 상세하게 나타낸 순서도,
도 3 내지 도 8은 본 발명에 의한 트래드 형상 변경시 요소의 예, 그루브 판단의 예, 리브 판단의 예, 아크 생성의 예, 아크 오프셋의 예, 분할점 설정과 아크 생성의 예를 각각 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 타이어 트래드 형상의 최적화 설계방법을 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 타이어 트래드 형상의 최적화 설계방법의 동작과정을 상세하게 나타낸 순서도이고, 도 2는 도 1의 트래드 형상 변경의 동작과정을 상세하게 나타낸 순서도이며, 도 3 내지 도 8은 본 발명에 의한 트래드 형상 변경시 요소의 예, 그루브 판단의 예, 리브 판단의 예, 아크 생성의 예, 아크 오프셋의 예, 분할점 설정과 아크 생성의 예를 각각 설명하기 위한 도면이다.

우선, 트래드 형상의 자동 변경 및 최적화와 관련된 설계프로그램이 구비된 컴퓨터는 설계자의 조작을 확인하여 트래드 형상 설계를 위한 설계변수, 구속조건, 목적함수를 설정한다(S100).

그리고 S100 단계에서 설정된 정보를 토대로 타이어 트래드 단면 형상과 접지 압력을 자동으로 조정한다(S200).

이를 도 2를 참조하여 상세하게 설명하면, 트래드 단면 형상을 자동으로 변경하기 위하여 유한 요소 모델에 저장되어 있는 절점번호, 절점 좌표값, 요소번호, 요소번호와 연결된 절점번호, 각 부재의 요소번호를 포함한 정보를 획득한다(S210).

그리고 S210 단계에서 획득한 정보를 이용하여 트래드 경계선을 추출한다(S220). 이때 트래드 경계선의 추출은 도 3에 도시된 바와 같이 요소와 요소와 연결된 절점을 이용하여 모든 요소 면의 직선을 저장한다. 직선은 반시계 방향으로 추출하며, 시작점과 끝점으로 구성된다. 직선을 이용하여 다른 요소의 직선과 공유되지 않은 트래드 부재의 직선만을 추출하고, 추출된 직선을 시작점과 끝점을 이용하여 정렬한다. 끝점은 다른 직선의 시작점으로 이루어지기 때문에 정렬이 가능하다.

S220 단계를 통해 트래드 경계선을 추출한 이후, 추출된 트래드 경계선을 토대로 리브와 그루브의 위치를 판단하고, 위치 판단결과를 토대로 각 리브별 절점을 저장한다(S230). 이때 S230 단계에서 각 리브별 절점을 저장할 때, 직선에서의 각도 변화를 토대로 리브와 그루브의 위치를 판단하되, 각도 변화가 기설정된 각도 이상이고 높이 차가 기설정된 높이 차 이상인 경우 그루브로 판단하고, 아니면 리브로 판단하며, 판단결과를 토대로 그루브의 절점을 삭제하여 각 리브별 절점을 저장한다. 그리고 그루브 판단을 위한 각도는 30도, 높이 차는 3mm로 설정하는 것이 바람직하다.

이처럼 S230 단계에서 정렬된 직선을 이용하여 직선 간 각도를 계산할 수 있는데, 각도 변화를 통해 리브와 그루브의 위치를 판단할 수 있다. 도 4는 이를 설명하기 위한 도면으로서, 그루부가 직선 2 내지 직선 9로 구성된 것을 예로 하면, 그루브의 절점은 각도 변화(θ)와 높이 차(δ)를 통해 삭제한다. 직선 1에서 각도 변화가 30도 이상인 경우 그루브가 시작되고 직선 1이 기준이 되어 각도와 높이를 확인한다. 각도 변화가 30도 이상이고 높이 차가 3mm 이상인 경우에는 그루브로 판단한다. 각도 변화가 30도 이하이고 높이 차가 3mm 이하인 경우에는 다른 리브의 직선으로 판단하여 기준 직선으로 변경한다. 즉 직선 1에서 기준 직선이 직선 10으로 변경된다. 직선 10과 직선 11을 비교하면 각도 변화와 높이 차가 작다. 이런 경우에는 다시 직선 11이 기준 직선으로 변경된다. 이러한 방식을 토대로 그루브의 위치를 판단하여 리브의 절점을 저장할 수 있다.

그리고 도 5에 도시된 바와 같이 절점의 중심부로부터 가장 멀리 떨어진 부분의 절점 위치가 트래드 폭을 초과하면 리브의 절점에서 삭제한다. 트래드 폭은 타이어 규격 폭의 70%~95% 사이에서 지정한다.

S230 단계를 통해 각 리브별 절점을 저장한 이후에는, 각 리브별 절점을 이용하여 각 리브별 아크(Arc)를 계산하고, 계산된 각 리브별 아크 중 어느 하나의 아크를 선택한다(S240). 이때 각 리브별 아크를 계산한 후 어느 하나의 아크를 선택할 경우, 리브별로 구성된 절점을 이용하여 각 리브별로 아크를 계산한다. 리브의 시작점과 끝점, 그리고 내부 절점을 통해 아크는 계산 가능하며, 계산된 아크 중 내부 절점간의 편차가 가장 적은 아크를 기준으로 결정한다. 예를 들어, 도 6에서와 같이 시작점이 1, 끝점이 8인 경우 내부 절점 2로 아크 1이 계산되고, 1, 3, 8로 아크 2 등과 같이 순차적으로 6개의 아크를 계산할 수 있다. 각 아크와 내부 절점 간의 수선의 차이를 계산할 수 있으며, 이를 토대로 가장 작은 아크를 선택할 수 있다.

S240 단계를 통해 어느 하나의 아크가 선택되면, 도 7에서와 같이 선택된 아크를 기설정된 임의의 거리(δ2)만큼 오프셋(offset)시킨다(S250).

그리고 도 8에 도시된 바와 같이 S230 단계에서 선택된 아크의 리브 시작점과 S250 단계에서 오프셋시킨 아크의 원점을 잇는 직선으로부터 각도(θ2)를 주어 분할점을 설정한다(S260).

분할점을 설정한 이후에는, S260 단계에서 설정된 분할점과 S230 단계에서 선택된 아크의 리브 시작점 및 끝점을 잇는 아크를 생성한다(S270). 즉 시작점과 분할점을 잇고 분할점에서는 오프셋 아크와 접선을 이루는 아크를 계산할 수 있으며, 분할점에서 오프셋 아크와 접하고 끝점을 지나는 아크를 계산한다.

그리고 S270 단계에서 생성된 아크의 원점에서 절점 방향으로 절점을 이동시킨 후(S280), 변경된 절점을 유한 요소 모델에 저장한다(S290).

이처럼, S200 단계를 통해 트래드 형상을 자동으로 변경한 이후, 컴퓨터는 S200 단계에서 자동으로 변경된 타이어 트래드 형상의 접지 성능을 기설정된 유한 요소 모델을 토대로 해석하고, 그 해석결과를 분석한다(S300).

그리고 S300 단계에서 분석된 결과와 기설정된 타이어 트래드 형상의 목표 성능을 비교하여, 비교 결과가 성능 평가를 위한 오차 범위 이내로 만족하는지를 판단한다(S400).

판단결과 S300 단계에서 분석된 비교 결과가 성능 평가를 위한 오차 범위 이내로 만족하지 못하면 S200 단계 이후를 반복 수행하고, 만족하면 타이어 트래드 형상을 최종 결정하여 타이어를 제조하도록 한다(S500).

이에 따라 본 발명은 컴퓨터를 이용한 최적의 트래드 형상을 얻을 수 있으며, 기존의 반복 설계에 의해 소요되는 시간을 대폭 감소함은 물론, 소요되는 비용도 절감할 수 있게 된다.

여기에서, 상술한 본 발명에서는 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (7)

1. (1) 트래드 형상의 자동 변경 및 최적화와 관련된 설계프로그램이 구비된 컴퓨터는, 설계자의 조작을 확인하여 트래드 형상 설계를 위한 설계변수, 구속조건, 목적함수를 설정하는 단계,
   (2) 상기 컴퓨터는, 상기 (1) 단계에서 설정된 정보를 토대로 타이어 트래드 단면 형상과 접지 압력을 자동으로 조정하는 단계,
   (3) 상기 컴퓨터는, 상기 (2) 단계에서 자동으로 변경된 타이어 트래드 형상의 접지 성능을 기설정된 유한 요소 모델을 토대로 해석하고, 그 해석결과를 분석하는 단계, 그리고
   (4) 상기 컴퓨터는, 상기 (3) 단계에서 분석된 결과와 기설정된 타이어 트래드 형상의 목표 성능을 비교하고, 비교 결과가 성능 평가를 위한 오차 범위 이내로 만족하지 못하면 상기 (2) 단계 이후를 반복 수행하고, 만족하면 타이어 트래드 형상을 최종 결정하는 단계를 포함하며,
   상기 (2) 단계는,
   (2-1) 유한 요소 모델에 저장된 정보를 획득하는 단계,
   (2-2) 상기 (2-1) 단계에서 획득한 정보를 이용하여 트래드 경계선을 추출하는 단계,
   (2-3) 상기 (2-2) 단계에서 추출한 트래드 경계선에서 리브와 그루브의 위치를 판단하고, 위치 판단결과를 토대로 각 리브별 절점을 저장하는 단계,
   (2-4) 상기 (2-3) 단계에서 저장한 각 리브별 절점을 이용하여 각 리브별 아크(arc)를 계산하고, 계산된 각 리브별 아크 중 어느 하나의 아크를 선택하는 단계,
   (2-5) 상기 (2-4) 단계에서 선택된 아크를 기설정된 임의의 거리만큼 오프셋시키는 단계,
   (2-6) 상기 (2-3) 단계에서 선택된 아크의 리브 시작점과 상기 (2-5) 단계에서 오프셋시킨 아크의 원점을 잇는 직선을 이용하여 분할점을 설정하는 단계,
   (2-7) 상기 (2-6) 단계에서 설정된 분할점과 상기 (2-3) 단계에서 선택된 아크의 리브 시작점 및 끝점을 잇는 아크를 생성하는 단계,
   (2-8) 상기 (2-7) 단계에서 생성된 아크의 원점에서 절점 방향으로 절점을 이동시키는 단계, 그리고
   (2-9) 상기 (2-8) 단계에서 변경된 절점을 유한 요소 모델에 저장하는 단계를 포함하는 타이어 트래드 형상의 최적화 설계방법.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 (2-1) 단계에서 획득하는 정보는,
   절점번호, 절점 좌표값, 요소번호, 요소번호와 연결된 절점번호, 각 부재의 요소번호를 포함한 정보인 타이어 트래드 형상의 최적화 설계방법.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 (2-2) 단계에서 트래드 경계선을 추출할 때,
   상기 유한 요소 모델에 기저장된 각 요소와 상기 각 요소와 연결된 절점을 이용하여 트래드 경계선을 추출하되, 상기 각 요소와 인접한 다른 요소의 직선과 공유되지 않은 트래드 부재의 직선만을 추출하여 정렬하는 타이어 트래드 형상의 최적화 설계방법.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 (2-3) 단계에서 각 리브별 절점을 저장할 때,
   직선에서의 각도 변화를 토대로 리브와 그루브의 위치를 판단하되, 각도 변화가 기설정된 각도 이상이고 높이 차가 기설정된 높이 차 이상인 경우 그루브로 판단하고, 아니면 리브로 판단하며, 판단결과를 토대로 그루브의 절점을 삭제하여 각 리브별 절점을 저장하는 타이어 트래드 형상의 최적화 설계방법.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 그루브 판단을 위한 각도는 30도, 높이 차는 3mm로 설정되는 타이어 트래드 형상의 최적화 설계방법.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 (2-4) 단계에서 각 리브별 아크를 계산한 후, 어느 하나의 아크를 선택할 때,
   리브의 시작점, 끝점, 그리고 시작점과 끝점 사이의 각 내부 절점을 통해 아크를 계산하며, 시작점과 끝점, 그리고 내부 절점을 이용하여 계산된 각 아크 중 가장 작은 아크를 선택하는 타이어 트래드 형상의 최적화 설계방법.

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