摘要
铁路运输行业在过去几十年中取得了巨大的发展。随着技术的不断进步和全球化的推动，铁路运输已成为全球最重要和最高效的交通运输方式之一。因其绿色、节能、环保、高效等众多优点，铁路运输的需求量日益增大，对其要求也逐渐增高。如何让铁路列车更高速、更稳定、更安全成为现阶段的科研热点，对车体结构的优化设计也成为了研究热点。车体底架是连接侧墙与端墙的连接结构，同时也是承载全车质量的重要结构。本文选取某时速160公里动车组的车体底架结构为主要研究目标，针对车体整体刚度及重量进行一系列的优化设计。 （1）从全局分析整车结构，对车体进行有限元分析。对局部繁琐结构进行简化，建立车体的有限元模型，对车体进行钢结构模态和整备模态分析，车体一阶垂向弯曲频率满足设计要求。根据TB/T3550.1-2019标准对车体有限元模型选取了6个列车运营工况以及4个抬车工况进行载荷和约束条件施加，依据以上共计10个计算工况对车体进行刚度和静强度校核评估。 （2）对车体有限元模型进行调整，添加车门车窗等部件，对车体完成气密封装处理，选取静强度计算工况中的前三个计算工况，添加大小为±1000Pa的气密载荷，对车体进行气密静强度分析，在总计10个计算工况的作用下，所有计算得出的最大等效应力均满足设计要求。 （3）完成车体有限元分析后对动车组车体底架进行拓扑优化设计。首先以车体底架各横梁纵截面为研究对象，以车体轻量化为目标，对其进行拓扑优化，并对优化后的车体刚度和静强度进行验证；然后以车体底架与横梁之间的焊点为研究对象，对其进行布局优化，对优化后的车体刚度和静强度进行验证。最后，依据优化的结果对车体进行二次建模及验证分析。 （4）选择拓扑优化后的车体底架梁结构厚度作为设计变量，以车体轻量化为优化目标，对车体进行尺寸优化。为了改善因设计变量选择过多而引起的优化不理想问题，对设计变量进行灵敏度分析，重新挑选合适的设计变量，最终分别以车体轻量化和车体柔度最小为目标进行尺寸优化。以车体轻量化为目标的尺寸优化最终使车体底架设计变量总体减重13.28%；以车体柔度最小为目标的尺寸优化最终使车体整体刚度提升0.89%。
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