复合材料在航空航天、汽车、船舶中已得到了广泛的应用,但在轨道车辆中的应用尚处在发展探索阶段。随着地铁车辆技术的不断提升,其车头性能也受到更多的关注,同时对车辆轻量化也提出了更高的要求。传统的单组份结构材料难以充分满足上述需求,因此有必要研究复合材料在地铁车车头上的应用。利用新型复合材料的优异性能,并通过材料配比及铺层设计与结构优化相结合,可满足部件的可靠性、安全性、降低维护检修成本等要求的同时进一步实现结构的轻量化。基于此,本文运用有限元理论、经典层合板理论、结构可靠性理论和结构优化设计理论等,借助仿真分析的手段,对地铁车车头进行性能分析及结构优化设计。主要工作如下:(1)地铁车车头结构性能仿真分析及优化。根据给定的相关数据及几何模型,建立车头的有限元模型,利用OptiStruct求解器对车头进行8种工况下的静强度分析。同时,利用基于拉丁超立方采样的Monte Carlo法对脚蹬结构的子模型进行可靠性分析,得到脚蹬的失效概率偏高,基于此,为了降低结构的失效概率,以脚蹬加权柔度值最小化为目标,以其质量为约束条件,基于OptiStruct进一步对脚蹬结构进行尺寸优化,优化结果表明,优化后的脚蹬结构满足了可靠性要求。(2)复合材料车头外罩的等代设计。基于HyperLaminate复合材料建模技术建立玻璃纤维车头外罩的有限元模型,并对其进行机械动载荷和风压工况下的结构性能分析。利用等代设计的方法对外罩进行材料配比优化,分别采用全碳纤维、玻碳层间混杂、玻碳夹芯混杂三种铺层方案对原玻璃纤维外罩的铺层重新设计,在相同的载荷工况下对三种铺层方案的外罩进行有限元仿真优化分析,并利用蔡-吴失效准则进行复合材料的强度验证,最后从经济性、减重效果、力学性能和环保性等方面对比得出了后两种铺层方案为车头外罩进一步结构优化设计的初始方案。(3)复合材料车头外罩的结构优化设计。为了充分发挥复合材料轻量化的潜能,在等代设计结果的基础上进一步对外罩进行铺层优化设计,利用数学规划法和最优化准则法,通过求解灵敏度建立车头外罩近似显式模型以及对优化目标的解耦,以外罩的加权柔度、质量和铺层顺序为目标函数,以其体积分数、位移、复合材料应变为约束条件,分别对玻碳层间混杂和玻碳夹芯混杂铺层的车头外罩进行自由尺寸优化、尺寸优化以及铺层顺序优化,得到了车头外罩最佳的铺层厚度和铺层顺序。优化结果表明,优化后的车头外罩在满足力学性能和各种工艺要求的条件下,达到了轻量化的目的。