铁路是我国货运系统的重要组成,机车运行安全是铁路运输的主要研究课题之一。内燃机车载重量大,一旦发生安全事故将造成巨大的损失。排障器作为机车被动防护系统的重要组成部分,可以有效保障机车的运行安全,但现有的排障器研究大多基于性能,较少涉及其整体结构优化,肋板布置也大多基于经验设计,材料的性能未充分利用。为解决以上问题,本文以某内燃机车为研究对象,基于我国TJ/JW 102-2017标准对内燃机车进行耐撞性分析,并通过Opti Struct优化软件对机车排障器进行优化设计。主要研究工作从以下几个方面展开:(1)采用显式动力学软件PAM-CRASH,基于TJ/JW 102-2017标准中两种单节机车的典型碰撞工况,实现了对某内燃机车耐撞性能的仿真分析。根据机车耐撞性仿真结果,从机车车体结构生存空间的压缩情况、轮对抬升量和平均加速度等方面对内燃机车的被动安全性进行评估。结果表明,机车耐撞性满足TJ/JW 102-2017标准要求,但车头有明显的下降趋势,排障器与钢轨发生接触。(2)针对内燃机车排障器的结构性能和轻量化,基于Opti Struct优化软件提出了拓扑-尺寸联合优化的设计思路。首先,以排障器柔度最小为目标,对其进行基于变密度法(插值函数为SIMP)的拓扑优化设计。综合考虑布置加强肋板的封闭环设计原则以及工艺性等因素,结合拓扑优化结果,对排障器加强肋板进行优化布局,得到排障器拓扑优化后模型。随后,以排障器拓扑优化模型为基础,对其进行拓扑-尺寸联合优化。结果表明,优化后排障器在两工况下最大应力降幅明显,结构应力分布更加均匀、合理,轻量化效果明显。(3)为进一步分析优化后的机车排障器在动态冲击下的性能,利用显式动力学软件PAM-CRASH,重点考虑机车运行速度、落石质量、落石撞击位置等因素,通过分析排障器的受损情况与动态响应结果,进一步验证优化后排障器的结构性能。结果表明,优化后排障器压溃变形更小,撞击峰值力更合理,排障器结构性能得到显著提升。本文从内燃机车耐撞性和排障器整体结构出发,基于Opti Struct优化软件对排障器进行结构优化和轻量化设计,并通过显式动力学软件PAM-CRASH对其进行动态响应分析。研究结果表明:内燃机车车体耐撞性能满足使用要求,且优化后排障器的结构性能得到显著提升,为某内燃机车排障器设计提供了可行方案。