轨道列车向着高速化、智能化不断发展,为了保证车辆在运行时的平稳性,轨道车辆越来越多的使用连挂纵向间隙更小的密接式车钩,但救援机车配备的几乎都是15号车钩,在车辆发生故障需要维修时,两种不同形式的车钩不能直接连挂,因此需要过渡车钩辅助连挂。某铁路局客车车辆段现有过渡车钩结构笨重,材料利用率较低,且在安装时需要人工装卸,在有砟轨道上使用时一旦发生脱落,将会对维修人员造成严重的人身伤害。本文以过渡车钩材料利用率更高,结构更加轻便为目标,提出了过渡车钩轻量化设计方案,并利用ANSYS Workbench软件仿真分析其强度、刚度和疲劳强度,确定该方案具有可行性。主要研究内容如下:根据列车维修和救援时的编组情况和受力形式,建立了列车纵向动力学模型以及单质点和多质点列车仿真模型。研究了不同编组情况和不同运行速度对过渡车钩纵向载荷的影响,得到制动初速度越小、运送车厢数量越多过渡车钩所受载荷越大,并且二级加压制动相较于普通制动会产生更大的载荷。由此可得,最高运行速度为85km/h,运送16节车厢时,牵引启动工况下过渡车钩承受最大拉伸载荷,制动工况下过渡车钩承受最大压缩载荷。建立了原始过渡车钩三维模型,分析了过渡车钩的结构、工作原理、材料属性及强度刚度评定标准。根据过渡车钩模型和极限载荷,利用有限元分析软件对其进行静力学分析,确定牵引启动工况及制动工况,这两种极限工况下过渡车钩强度、刚度均符合设计要求,但是存在结构不合理、材料利用率较低的问题,有轻量化设计空间。采用变密度法对过渡车钩进行拓扑优化分析,结合分析结果和过渡车钩受力特点,对其进行形状优化,得到了轻量化后的过渡车钩模型重80.1kg,相较于原始模型减重20.2kg。校核轻量化后过渡车钩模型强度、刚度和疲劳强度,验证了轻量化方案的可行性,对比分析结果可知,相较于原始过渡车钩,轻量化后过渡车钩强度、刚度均有一定的提升。采用TC4钛合金代替铸造E级钢作为轻量化后过渡车钩的材料,得到重量为46kg的钛合金过渡车钩。对钛合金过渡车钩进行静力分析,得到牵引启动工况及制动工况下,钛合金过渡车钩均满足强度、刚度要求,安全系数达到2.6,有一定的设计余量。采用变密度法对钛合金过渡车钩进行拓扑优化分析,结合拓扑优化结果对钛合金过渡车钩进行结构轻量化设计,得到的轻量化后钛合金过渡车钩重42.15kg相较于原始过渡车钩减重58.15kg。校核轻量化后钛合金过渡车钩强度、刚度和疲劳强度,得到牵引启动工况及制动工况下,轻量化后的钛合金过渡车钩均符合设计要求,且安全系数有一定的提升。通过以上研究工作,在已有过渡车钩的基础上进行改进得到轻量化过渡车钩,在保证强度、刚度满足正常使用要求的前提下,结构更加合理,材料利用率更高。过渡车钩轻量化分析过程及结果可为今后各种类型的过渡车钩结构优化设计及新型过渡车钩的研制提供详尽的分析方案和理论参考。