随着我国地铁运营线路增加,越来越多的地铁车辆投入使用,其车头性能也受到更多的关注。作为地铁车辆的控制中心,车头结构为司机提供必要的工作空间,当外载荷超过一定限度时,其结构将发生破坏,影响行车安全。若地铁发生事故,车头前端将受到巨大载荷,司机室保护框结构会发生塑性变形对司机及乘客的人身安全起到有效的保护。因此,为了保证地铁车辆能正常工作,有必要对运营条件下的车头结构进行强度与刚度分析,而针对极端情况,对司机室保护框结构的最大变形及刚度可靠度进行计算也意义重大;并在满足强度等性能指标的前提下,追求玻璃钢结构的高刚度,司机室保护框结构的可靠化和轻量化。基于此,本论文结合有限元理论、经典层合板理论、结构可靠性理论和结构优化理论等,借助仿真分析手段,对地铁车头进行性能分析与结构优化研究。主要工作如下:(1)地铁车头结构性能仿真分析。根据工程项目任务书提供的数据,利用HyperMesh建立相应的有限元模型。利用ANSYS进行静力分析,得到运营条件下地铁车头结构的强度与刚度分析结果,进行强度校核,并确定变形最大的最危险工况。之后,在ANSYS中对极端实验工况下的司机室保护框结构进行几何与材料非线性分析,计算产生的塑性变形,证明其满足实验要求。(2)玻璃钢结构的刚度优化设计。以最危险的运营工况为研究对象,只保留对地铁车头结构最大变形有贡献的部件,计算最大变形关于不同区域的灵敏度。以灵敏度最大的几个区域的铺层角度为设计变量,最大变形为目标性能响应,建立刚度优化模型。利用粒子群算法分别进行连续和离散变量优化,得到最优的铺层角度方案,并对优化结果进行比较分析。最后将铺层角度优化后的地铁车头结构重新进行运营条件下的静力分析,验证其可行性。(3)基于可靠性的司机室保护框结构的多目标优化设计。考虑司机室保护框在加工制造过程中的不确定性因素对塑性变形的影响,根据极端实验要求,建立极限状态函数和刚度可靠性分析模型,利用蒙特卡洛-响应面混合模拟法计算其刚度可靠度。在此基础上,以司机室保护框结构的总质量和塑性变形最小为优化目标,刚度可靠度大于99%为约束,建立多目标优化模型,利用第二代非劣排序遗传算法进行尺寸优化,获得最佳的板材厚度组合。计算结果表明,优化后的司机室保护框结构不仅满足可靠性要求并且兼顾了轻量化,取得了较好的优化效果。