为了满足轨道车辆的轻量化需求,复合材料由于其优越的性能,被大量地应用在轨道车辆上。同时,随着地铁逐渐成为重要的城市轨道交通工具,其性能要求也逐渐提升。地铁车头作为地铁车辆的重要组成,其结构性能对保证列车的安全运行至关重要。利用力学性能更好、密度更小,比强度、比刚度更高,阻燃、隔音性能更好的新型复合材料,并通过材料配比及铺层设计与结构优化相结合,在满足部件的可靠性、安全性、降低维护检修成本等要求的同时进一步实现结构的轻量化及提升车头的静、动态性能。基于此,本文基于有限元理论、复合材料层合板理论、稳健优化理论和结构优化理论等,借助仿真分析的手段,对地铁车头外罩、骨架进行性能分析及优化设计。本文主要工作如下:首先,进行地铁车头结构性能仿真分析及等代设计。合理简化地铁车头结构,利用Hyper Mesh建立有限元模型,基于EN12663-2010标准,加载7种组合工况;此外,基于Hyper Laminate复合材料建模技术对复合材料车头外罩进行等代设计,提出全碳纤维及玻/碳层间混杂纤维两种设计方案,并对等代设计后的复合材料车头外罩有限元模型进行模态分析及静强度分析;对等代设计结果进行初步对比分析,完成初次优化设计,为复合材料车头外罩的多目标优化设计奠定了基础。其次,提出了一种考虑多工况的复合材料地铁车头外罩多目标优化方法。以等代设计后的玻/碳层间混杂纤维地铁车头外罩为研究对象,分别进行静态和动态单目标优化设计并得到多目标优化设计所需参考数据;此外,运用层次分析法确定每个工况的权重系数,并采用折衷规划法定义静态刚度与动态频率的综合目标函数,进行多目标自由尺寸优化;最终通过尺寸优化、铺层顺序优化,得到铺层优化具体方案。最后,基于田口设计方法和遗传算法对地铁车头骨架进行稳健优化设计。为了提升车头骨架承载能力,并提高车头骨架的稳健性,分别采用两种方法进行车头骨架稳健优化设计。对车头骨架进行灵敏度分析,筛选出对目标响应影响较大的设计变量;并通过田口稳健优化设计方法完成车头骨架的参数设计,利用直观分析法确定型材板厚参数的最佳组合;基于遗传算法的车头骨架稳健优化,以信噪比最大为优化目标建立响应面稳健优化模型,利用遗传算法对其进行优化设计,最终得到型材板厚参数的最佳组合;此外,分别将上述两种方法得到的优化结果与原始目标响应的均值与方差进行对比,结果表明:优化后的目标响应稳健性均有不同程度的提高。