能源短缺和环境污染已成为世界各国致力于解决的问题,轻量化和节能降耗已成为未来轨道交通运输装备制造业发展的必然趋势。风机系统是保障轨道交通列车安全运行的重要核心部件之一,本文以轨道交通列车风机系统的轻量化和气动性能为研究对象,围绕着结构轻量化和气动性能提升的问题,进行了系统和深入的研究。本文所开展和完成的研究工作如下:(1)开展了风机气动性能及强度振动试验,验证了基于非定常流固耦合的风机系统气动性能及叶轮结构动力学分析模型,为叶轮结构轻量化和风机翼型气动的优化设计提供了可靠的计算模型。在风机气动性能的单和多因素灵敏度分析的基础上,改进了风机设计,有效地提高了风机效率,为风机气动性能优化研究建立了基础。(2)针对叶轮结构的轻量化设计问题,为了满足轨道交通列车装备的高可靠性的要求,分别采用确定性、可靠性和稳健性技术对铸铝叶轮进行多目标优化。通过对比分析,发现稳健优化结果可以更好地容忍不确定性。经多目标稳健性优化后,铸铝叶轮结构的重量下降了31.0%,可满足轨道列车高可靠性和轻量化的应用要求。针对叶轮的轻量化材料设计问题,考虑轨道交通列车运行环境异常复杂的问题,对片状模塑料(Sheet molding compound,SMC)模压成型材料的耐环境和耐水性进行试验,发现该材料具有较好的耐环境性结论。通过采用无机陶瓷防水涂料进行防水处理,显著增强了该材料的耐水性。经多目标稳健性优化后,SMC模压成型的叶轮可以更好的满足叶轮结构的轻量化设计要求。最后采用动、静应力试验和超速试验系统对计算结果进行了验证,具有较好的精度结果。(3)在风筒结构的轻量化设计方面,由于风筒结构较复杂,采用随机振动有限元分析方法进行计算,在网格数量较多的情况下,单次计算时间长。为了提高稳健性优化效率和精度,采用高低精度误差补偿的近似模型,对风筒结构进行稳健性优化设计。经稳健性优化设计后,金属风筒结构的重量下降了13.4%。并针对风筒结构的轻量化材料设计问题,研究了一种增强纤维碳玻混杂真空技术复合材料的风筒结构。通过多目标稳健性优化设计后,该方案可以更好的满足风筒结构的轻量化设计要求。通过试验验证表明,优化后风筒结构可以满足铁路用列车设备及附件的随机振动及冲击试验的要求。(4)腐蚀是风机结构系统的重要研究课题之一。考虑结构尺寸、材料及载荷等不确定性和自相关性,将时变可靠性问题转化成静态可靠性问题,并将随机过程进行时间离散,从而显著提高了风机结构时变可靠性的分析效率,可有效地解决风机结构衰减和腐蚀等时变可靠性的问题。分别对铸铝叶轮的强度、SMC叶轮的振动、金属和增强纤维风筒的强度进行了时变可靠性分析,结果均满足工程设计可靠性指标的要求,为实际工程应用提供参考。(5)针对样本数据少、信息缺乏的工程问题,在稳健性设计技术的基础上,对风机翼型气动性能进行了区间的不确定性优化设计。通过建立区间模型非概率可靠性指标,在Kriging近似模型基础上构建了稳健性优化模型,并采用了双重优化求解策略进行求解,以提高优化效率。为了提高叶型造型的拟合精度,采用五项多项式方法对翼型各截面进行参数化建模。通过和试验结果进行对比可知,该方法可满足风机气动性能优化精度要求。本文的研究为风机结构轻量化设计和气动性能优化提供了新的途径,为轨道交通风机系统轻量化和节能减排的市场实用化奠定了基础,另外需要特别提出的是,文章中的一些研究内容和成果对其它类型旋转机械也具有非常重要的参考价值。