內支撐式安全輪胎（Inserts Supporting Run-Flat Tire）是一種具有代表性的用于越野車輛的安全輪胎。在正常行駛狀態下，輪胎內部安裝的支撐體不參與車輪的受力；當輪胎被刺破泄氣時，輪胎靠環形支撐體結構實現車輪的各項功能，保證車輛能繼續行駛一定的距離。但是，大多數內支撐式安全輪胎的支撐體采用金屬、橡膠等材質，質量較重，剛度較大，零壓滾動時車輛的機動性和操縱穩定性受到較大影響，此外支撐體和輪胎之間的摩擦生熱問題十分嚴重，不適合大負荷、長距離的行駛，且支撐體結構與輪輞之間的裝配工藝相對復雜，維護比較困難。

                                                圖1 內支撐式安全輪胎受垂直力示意圖

      為了降低內支撐式安全輪胎的轉動慣量，一方面需要選用輕量化的材料，另一方面是要對其進行結構優化設計，提高輕量化效果的同時，優化其散熱性能及摩擦問題也至關重要。下面根據安全輪胎內支撐工況進行內支撐拓撲優化模型的創建。

1）將內支撐部件劃分為設計區域和非設計區域，并劃分網格；

2）定義相關的屬性、邊界條件、載荷、優化參數、脫模方向和對稱性，對優化區域和非優化區域進行劃分后，對模型兩側施加對稱約束，下部是固定，上部施加壓力，壓力大小為30Mpa。優化目標為體積最小化，約束條件為等效應力小于100Mpa，將設計區域內每個單元的單元“密度”作為設計變量。優化設計的三要素在OptiStruct中通過不同類型的信息卡描述，結構響應（用于評測目標與約束）以及設計變量均采用Bulk Data類型的信息卡；

3） 在進行結構拓撲優化過程中，依然面臨數值不穩定現象，如棋盤格格式和網格依賴性等問題。為有效抑制數值不穩定問題的出現，施加最小成員尺寸約束，保證良好拓撲結果構型，從而得到比較均勻的材料分布方案，為了獲得結構對稱的內支撐，還需要定義拓撲優化的軸向對稱面，當對稱面為一個平面時。對于鑄造結構，必須考慮制造加工過程中的拔模方向，保證結構具有良好的加工特征，在拓撲優化過程中設置雙向拔模，第一拔模方向為第一向量所指方向，第二拔模方向自動定義為相反方向；

                                                    圖2  定義拓撲優化目標（高亮區域）

                                                             圖3  優化參數設置

                                                           圖 4 拔模方向設置

                                                         圖5 優化模型及約束和載荷

4）結果將以單元密度0-1的云圖在設計空間中顯示，需要加強的區域密度趨向于1。

                                          圖6    去除單元密度閥值 0.3 的等值線材料后的模型

                                                              圖7  優化后內支撐模型

         對拓撲優化后的內支撐進行靜力學仿真分析。

                                                               圖8  內支撐靜力學應力云圖

        對比優化前、后內支撐的質量和最大應力，內支撐的質量從5.95 kg減少到4.78 kg，減少的材料占比近19.5%。最大應力為9.57 Mpa，較原來的5.83 Mpa增加較多，這是由于受力處選擇了較為薄弱的部位，且材料屈服為250 Mpa，仍然符合設計要求。