安全轮胎内支撑三维结构拓扑优化

       内支撑式安全轮胎（Inserts Supporting Run-Flat Tire）是一种具有代表性的用于越野车辆的安全轮胎。在正常行驶状态下，轮胎内部安装的支撑体不参与车轮的受力；当轮胎被刺破泄气时，轮胎靠环形支撑体结构实现车轮的各项功能，保证车辆能继续行驶一定的距离。但是，大多数内支撑式安全轮胎的支撑体采用金属、橡胶等材质，质量较重，刚度较大，零压滚动时车辆的机动性和操纵稳定性受到较大影响，此外支撑体和轮胎之间的摩擦生热问题十分严重，不适合大负荷、长距离的行驶，且支撑体结构与轮辋之间的装配工艺相对复杂，维护比较困难。

                                                图1 内支撑式安全轮胎受垂直力示意图

      为了降低内支撑式安全轮胎的转动惯量，一方面需要选用轻量化的材料，另一方面是要对其进行结构优化设计，提高轻量化效果的同时，优化其散热性能及摩擦问题也至关重要。下面根据安全轮胎内支撑工况进行内支撑拓扑优化模型的创建。

1）将内支撑部件划分为设计区域和非设计区域，并划分网格；

2）定义相关的属性、边界条件、载荷、优化参数、脱模方向和对称性，对优化区域和非优化区域进行划分后，对模型两侧施加对称约束，下部是固定，上部施加压力，压力大小为30Mpa。优化目标为体积最小化，约束条件为等效应力小于100Mpa，将设计区域内每个单元的单元“密度”作为设计变量。优化设计的三要素在OptiStruct中通过不同类型的信息卡描述，结构响应（用于评测目标与约束）以及设计变量均采用Bulk Data类型的信息卡；

3） 在进行结构拓扑优化过程中，依然面临数值不稳定现象，如棋盘格格式和网格依赖性等问题。为有效抑制数值不稳定问题的出现，施加最小成员尺寸约束，保证良好拓扑结果构型，从而得到比较均匀的材料分布方案，为了获得结构对称的内支撑，还需要定义拓扑优化的轴向对称面，当对称面为一个平面时。对于铸造结构，必须考虑制造加工过程中的拔模方向，保证结构具有良好的加工特征，在拓扑优化过程中设置双向拔模，第一拔模方向为第一向量所指方向，第二拔模方向自动定义为相反方向；

                                                    图2  定义拓扑优化目标（高亮区域）

                                                             图3  优化参数设置

                                                           图 4 拔模方向设置

                                                         图5 优化模型及约束和载荷

4）结果将以单元密度0-1的云图在设计空间中显示，需要加强的区域密度趋向于1。

                                          图6    去除单元密度阀值 0.3 的等值线材料后的模型

                                                              图7  优化后内支撑模型

         对拓扑优化后的内支撑进行静力学仿真分析。

                                                               图8  内支撑静力学应力云图

        对比优化前、后内支撑的质量和最大应力，内支撑的质量从5.95 kg减少到4.78 kg，减少的材料占比近19.5%。最大应力为9.57 Mpa，较原来的5.83 Mpa增加较多，这是由于受力处选择了较为薄弱的部位，且材料屈服为250 Mpa，仍然符合设计要求。