飞机结构在飞行中始终处于振动环境中,机背油箱这种金属薄壁结构更容易激发出共振,以致结构产生共振疲劳,对飞行安全构成重大威胁。本文以金属薄壁结构的机背油箱为研究对象,根据模态分析、疲劳分析、结构优化理论,运用有限元分析和Matlab数值求解技术,对处于共振环境中的机背油箱进行疲劳和结构优化研究。主要工作如下:利用MSC.Patran建立了机背油箱的有限元模型,通过虚拟质量法模拟机背油箱中流体和油箱薄壁结构之间的耦合效应。在此基础上,利用Nastran分别对空油箱和有油油箱进行了模态分析和频响分析,为后续疲劳分析做好准备。其次,确定了材料的S-N曲线和油箱振动环境载荷谱,借助MSC.Fatigue平台,根据Miner线性累积损伤准则和Dirlik宽带随机疲劳寿命分析法完成了空油箱和有油油箱的振动疲劳寿命估算,获得了机背油箱结构产生振动疲劳时的危险点及其危险点处的寿命,对结果进行了分析评估。最后,通过机背油箱参数化建模,以机背油箱各个面的厚度作为优化变量,以机背油箱的壁厚和固有频率作为约束,结构总质量为优化目标,基于遗传算法并结合Matlab-Patran-Nastran联合仿真,对机背油箱结构进行了优化。结果表明,以油箱质量最小为优化目标,使得油箱的各阶固有频率远离共振频带,避免了共振疲劳的发生。本文的研究结果表明,利用有限元方法能够对机背油箱振动疲劳寿命进行预测,同时以结构固有频率为约束,通过优化可以避免机背油箱结构的共振疲劳。