随着国家现代化进程的发展,为满足现代城市轨道交通的大功率需求和缓解日益严重的城市交通压力,地铁车辆车体结构的轻量化问题已经成为研究人员所关注的热点。随着结构优化技术的越发成熟,国内外学者对轨道列车车体结构截面尺寸优化的研究也日趋完善,但是对于列车挤压型材截面的拓扑优化研究还处于发展阶段。对于复杂挤压型材的截面结构,仍然依靠研究人员的经验设计,如此很难设计出较好的轻型结构。因此,在保证地铁车辆车体结构性能安全的前提下,通过拓扑及尺寸优化技术对车体结构进行合理的设计与改进,对地铁车辆的轻量化具有重要意义。本文选取某B型铝合金地铁中间车结构,针对轻量化问题进行以下工作:(1)考虑车体结构的力学特性与计算精度等因素,对车体结构进行简化处理并采用壳单元建立车体有限元模型,在焊接处及主要承载部位采用局部细化网格的方式,不同大小网格逐渐过渡。根据车体相关评价标准及列车实际运行情况选取合适的工况对中间车体进行强度、刚度及模态计算,结果表明车体结构虽然出现局部应力集中的现象,但其强度、刚度、模态仍然满足结构设计要求,并且具有较大的轻量化空间。(2)在考虑侧向风载的情况下,以有限元法和变密度拓扑优化方法为基础,以体积与截面惯性矩为约束,以柔度最小(刚度最大)化为目标函数对车体车顶及侧墙部分截面进行了单一工况下的拓扑优化,得到不同角度风载下柔度最小的截面结构。为了使结构的承载能力最大化,基于加权折衷规划法,将各工况下的最小柔度作为相应载荷下的目标函数,这样就使得多工况下的多目标函数优化问题转化为单目标函数优化问题。最终得到了车体与侧墙部分的筋板结构新布局,使筋板结构在质量减小的同时其车体整体的强度、刚度以及模态仍然处于合理的范围内。(3)在新车体截面结构基础上,基于灵敏度理论对地铁车辆底架结构进行灵敏度分析,得到底架结构板件厚度对其应力、位移的敏感程度。为尽可能不使车体整体结构的强度与刚度发生较大变化,选取对其应力、位移不敏感的板件厚度作为设计变量,以应力、位移以及一阶弯曲频率为约束,质量最小为目标函数进行尺寸优化。优化后质量减小0.77t,减重比为21.6%,并对优化后的车体进行模态、刚度、以及强度的校核,均满足要求。