Innovative method for the optimal design of a lightweight wheel with application to an ultra-efficient vehicle

This thesis work focuses on the development of an innovative design methodology of lightweight wheels. In particular, the activity has been carried out for the specific case of a wheel designed for a Shell Eco-Marathon vehicle with the aim of finding preliminary design solutions. A multi-objective optimisation approach has been followed. The mass and elastic strain energy (i.e. compliance) of the wheel have been minimized at the same time. Geometrical quantities related to the cross section shape, cross section dimensions, rim thickness and number of spokes are optimized. Design constraints on structural stiffness and elastic stability of the wheel have been taken into account. A finite element model has been developed to simulate the wheel structural response under different loading conditions. A simplified physical model of the tyre structure has been employed for an accurate modelling of the tyre/rim contact forces. The material properties of the tyre structure have been identified by means of experimental tests. The developed model of the wheel has been used to train a set of neural networks to approximate the objective functions and design constraints. A Multi-Objective Genetic Algorthm has been adopted to calculate the Pareto-optimal solutions. The implemented method has proved to be a valuable tool to support design engineers in taking critical decisions at the very beginning of the design process.

Il presente lavoro di tesi si focalizza sullo sviluppo di un metodo innovativo per la progettazione di ruote ultraleggere. In particolare, l’attività si è incentrata sul caso specifico di una ruota progettata per un veicolo che prende parte alla Shell Eco-Marathon, allo lo scopo di identificare soluzioni progettuali preliminari. É stato seguito un approccio di ottimizzazione multi-obiettivo. La massa e l’energia elastica di deformazione (i.e. compliance) sono state minimizzate simultaneamente. Grandezze geometriche connesse al tipo di sezione trasversale delle razze, dimensioni della sezione e il numero di razze sono state ottimizzate. Sono stati presi in considerazione vincoli di progetto sulla rigidezza strutturale della ruota e sulla sua stabilità elastica. È stato sviluppato un modello agli elementi finiti per simulare la risposta strutturale sotto differenti condizioni di carico. Un modello fisico semplificato della struttura del pneumatico è stato impiegato per un’accurata modellazione delle forze di contatto tra il pneumatico ed il cerchio. Le proprietà del materiale del pneumatico sono state identificate mediante prove sperimentali. Il modello della ruota realizzato è stato utilizzato per allenare un insieme di reti neurali per approssimare le funzioni obiettivo e i vincoli di progetto. Un algoritmo genetico multi-obiettivo è stato adottato per calcolare l’insieme di soluzioni ottime che costituiscono il fronte di Pareto. Il metodo implementato ha dimostrato di essere un valido strumento di supporto per gli ingegneri progettisti nel prendere decisioni critiche allo stadio iniziale del processo di progettazione.