摘要
高速列车水箱的轻量化设计容易导致挡板固有频率降低，从而增加共振和疲劳失效风险，威胁运营安全。针对该问题，以某型CRH动车组（EMU）吊挂式水箱为研究对象，提出了一种在不降低挡板一阶固有频率前提下实现轻量化优化的方法。首先，基于计算流体力学（CFD）方法建立了双向流固耦合（FSI）有限元模型；采用试验设计法确定了水箱内挡板的最优数量，并应用响应面法构建了挡板质量、水箱最大应力、挡板变形和一阶固有频率的二次多项式代理模型，通过方差分析验证了各模型的拟合精度和显著性。在明确设计变量对响应指标影响的基础上，为克服标准多目标粒子群优化（MOPSO）算法易陷入局部最优、约束处理简单以及早熟收敛等不足，提出了一种融合混沌初始化、自适应参数调整和动态变异策略的改进多目标粒子群优化（IMOPSO）算法。以一阶固有频率作为约束条件，对挡板结构进行了多目标优化。最后，利用有限元仿真软件对代理模型的预测精度进行了数值验证。结果表明：优化后挡板质量降低16.13%，一阶固有频率提高0.41 Hz（基于有限元分析），水箱最大应力降低288 Pa（基于有限元分析），挡板变形减少7.66%（基于有限元验证，响应面代理模型预测降幅为9.07%）。代理模型的最大预测误差仅为1.53%，验证了所提方法的有效性和可行性。本研究可为CRH动车组及其他类似罐体结构的水箱改进与性能优化提供理论依据和工程参考。
