地坑式架车机是动车组检修过程中必不可少的大型关键设备。其整机结构相当复杂,而当前国内厂家对架车机的设计制造主要依赖于经验,且未形成统一的设计规范,在设计时各尺寸参数留有较大的余量,因此有必要对地坑式架车机进行轻量化研究。而目前的研究工作大多集中在结构设计和维护以及同步控制上,力学研究领域涉及较少,因此,本文将对架车机结构进行力学性能分析,并进一步对其进行轻量化研究。本文以某研究所研制的地坑式架车机为研究对象,经过结构简化处理后,通过ANSYS建立该架车机的参数化模型,对其进行静力学分析,并对其强度和刚度进行校核。结果表明地坑式架车机的强度与静刚度都满足要求,且有较大的富余量。由于托头结构的接触部位为受力集中区域,为探究接触部位受力的真实情况,对托头结构进行非线性接触分析,并研究利用节点自由度耦合方法代替接触分析的可行性。结果表明:对于滑块与滑轨的接触,当存在相对滑动时,耦合模型近似于较大摩擦系数下的接触分析;当不存在相对滑动时,两种模型的计算结果相差不大。采用基于接触对的接触分析更接近于实际,计算结果更趋近于精确解,但建模过程较复杂,且计算成本较高。因此,对于精度要求不太高的计算,可以近似采用节点耦合方式代替。传统的地坑式架车机设计方法通常偏向保守,为了有效发挥材料的承载性能,将优化技术与响应面近似模型技术结合在一起,对地坑式架车机进行基于响应面法的轻量化研究。该方法基于有限元分析软件ANSYS与多学科优化软件ISIGHT,利用最优拉丁超立方试验设计方法对设计变量进行灵敏度分析,筛选出对系统响应影响较大的参数,并构建响应面近似模型,通过多岛遗传算法对近似模型进行优化。结果表明,该方法不仅能极大提高优化效率,还能使架车机的结构自重降低20.64%,实现了轻量化的目的,并能有效降低产品成本。由于产品质量与性能会受到某些不确定因素的影响,确定性优化结果往往具有较低的可靠性和鲁棒性,因此本文将近似模型技术、蒙特卡洛模拟法、可靠性分析和6σ质量设计相结合,对地坑式架车机进行6σ稳健优化设计。结果表明,与传统确定性优化相比,该方法不仅能使地坑式架车机的结构自重降低16.79%,而且降低了优化结果对优化参数波动的敏感性,同时大幅提高了各参数的σ水平和可靠度,因此极大地提高了架车机的可靠性和稳健性,为地坑式架车机的设计及优化提供理论指导,对工程实际有很好的应用价值。