近年来应急监测拖车以其安全、高机动性、重心低、操作灵活等优点,现已成为山区、丘陵区主要的应急监测工具,各国广泛应用。应急监测拖车体积大、质量重等问题,直接影响运输效率。应急监测拖车车身骨架作为应急监测拖车的重要承载部件,其重量约占应急监测拖车重量的30%~40%,在保证车架刚度、强度等承载性能的前提下,有效地减轻应急监测拖车重量,可提高应急监测拖车市场竞争力。本文以应急监测拖车车身骨架为研究对象,利用局部拓扑优化和灵敏度分析方法实现车身骨架的轻量化,并对优化后的车身骨架进行疲劳寿命分析,验证优化结果的安全性。本文主要研究内容如下:1.应急监测拖车车身骨架的有限元分析。在ANSYS中建立车身骨架有限元模型,并分别在水平弯曲工况、紧急制动工况、紧急转弯工况、极限扭转工况等四种典型工况下进行静态分析,得到了车身骨架结构的应力值与变形值。对车身骨架结构进行模态分析,获得了车身骨架前6阶模态频率和振型。分析静态和模态结果可知,车身骨架满足设计要求,并存在设计冗余。2.应急监测拖车车身骨架的拓扑优化设计。采用局部拓扑优化方法,以优化区域的密度为设计变量,以车身骨架柔度最小为优化目标,以设计区域的体积为约束,建立了应急监测拖车车身骨架结构拓扑优化数学模型,利用Hypermesh软件分别对车身骨架的上围、下围、左右侧围和中隔骨架进行了拓扑优化设计,并根据拓扑优化结果、设计要求及制造工艺要求,对拓扑优化区域进行了重新设计,获得了拓扑优化后的应急监测拖车车身骨架结构。3.应急监测拖车车身骨架的轻量化分析。通过灵敏度分析得到对车身骨架结构性能不敏感,但对车身骨架质量敏感的构件,以构件的壁厚作为设计变量,以车身骨架的质量最小、一阶模态频率最大为优化目标,以各工况下的车身骨架结构的最大应力及位移均小于设计定值为约束条件,建立了车身骨架优化模型,获得了优化后各设计变量的新厚度;将优化前后的车身骨架性能进行对比,结果表明,车身骨架结构在满足设计要求的前提下,车身骨架的质量由原来的614.99kg减少到528.42kg,减少了86.57kg,减重幅度为14.08%,取得了良好的减重效果。4.优化后应急监测拖车车身骨架的疲劳寿命分析。选择线性疲劳累计损伤法则,利用ANSYS软件中Fatigue Tool模块对优化后的车身骨架进行疲劳寿命分析,得到车身骨架的疲劳寿命、安全系数及疲劳损伤,通过与理论疲劳安全寿命对比,验证了优化后车身骨架的安全性。结果表明,本文利用局部拓扑优化和灵敏度分析方法对应急监测拖车车身骨架进行轻量化设计,使车身骨架的质量减少了86.57kg,减重幅度为14.08%,同时对优化后应急监测拖车车身骨架疲劳进行寿命分析验证了优化结果的安全性。