汽车行业的蓬勃发展进一步的推动了消费者对车辆性能的要求,进而对轮胎的安全性能、舒适性能以及操稳性能有了更高的要求。充气轮胎在行驶过程中要定期进行检查、维护,以防在行驶时发生爆胎、漏气等安全问题,但由于无法彻底解决爆胎问题,致使轮胎的安全性能得不到有效的改善。针对上述轮胎安全问题,本文围绕非充气轮胎结构设计、基本力学特性分析、疲劳性能分析及寿命预测等方面开展研究工作,主要研究内容如下:第一,基于BESO方法,以非充气轮胎柔度最小为优化目标,建立了非充气轮胎圆环结构拓扑优化数学模型,对非充气轮胎圆环结构进行拓扑优化分析。基于BESO周期结构拓扑优化计算方法,引入插值函数以减少优化过程中中间密度单元,计算圆环周期结构的单元灵敏度,并根据BESO收敛法则进行单元的删减和增添来对设计变量进行更新;研究了非充气轮胎圆环结构拓扑优化模型,在改变周期数、体分比以及不同圆环结构内外径之比时拓扑优化构型的变化。第二,提出了一套适用于菱形非充气轮胎的单元构型方法。对标子午线轮胎195/50R16,利用Hypermesh有限元分析软件,建立三维非充气轮胎扇形子模块拓扑优化模型,对扇形子模块结构进行优化结构设计,得到扇形子模块结构在不同周期、不同体积分数以及不同网格尺寸条件下的最佳拓扑优化构型。对扇形子模块在不同参数下的主传力路径进行构形并规整化,进而获取多种类型的非充气轮胎基本结构单元;分别对同类型基本结构单元和异类型基本结构单元进行排列组合,构建出对应的同类型组合结构单元和异类型组合结构单元;对组合结构单元进行周期环形阵列,从而构建出不同结构形式的非充气轮胎。在非充气轮胎单元构型法研究的基础上,以X型基本结构单元为例,构建了菱形非充气轮胎。第三,针对菱形轮胎的整体结构特点,基于ABAQUS建立了菱形轮胎的的三维几何模型和数值仿真模型,并进行静态承载仿真计算,研究了菱形非充气轮胎的基本力学特性。并选取了扇形单元支撑体结构的阵列密度（周期数）、菱形支撑体结构的辐板厚度、胎面厚度等结构参数,探究这些结构参数对菱形轮胎的径向刚度、支撑体应力、接地压力分布情况等基本力学特性的影响规律。第四,研究了菱形轮胎疲劳寿命计算方法,并探究了结构参数对菱形非充气轮胎疲劳性能的影响。基于ABAQUS与FE-SAFE联合仿真计算,对菱形非充气轮胎支撑体结构进行疲劳寿命预测;改变菱形支撑体辐板厚度、扇形单元支撑体阵列密度,研究了结构参数对其菱形支撑体结构的疲劳寿命的影响规律,为后续非充气轮胎的耐久性提升提供一定的理论指导。