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隨著軌道交通事業的迅速發展和人們生活水平的提高，高效便捷的軌道交通受到越來越多城市的青睞，并且對車體綜合性能的要求越來越高。車頂骨架作為車輛內裝的重要組成部分，尤其在支撐車頂風道等結構和減少振動方面起到了不可缺少的作用。減輕車頂自身質量一方面節約了原材料，降低了生產成本；另一方面也使結構各處應力的合理有效的分布，避免局部結構的應力集中而導致整體結構的破壞，因此設計出質量輕而各方面性能又達到要求的車頂是一項重要任務。本研究對某公司開發的新型地鐵的車頂骨架結構進行了有限元分析，得到了產生應力集中的位置，并且制定了滿足應力要求的優化方案，通過對比得出方案滿足整體強度要求且優化后應力分布變得更加均勻，該優化方案具有一定的實用性為同類車型的車頂骨架開發提供了一定得參考價值。
作為車輛內裝的重要組成部分，車頂骨架主要包含三個主結構，由上到下依次為風道結構、中頂板結構以及扶手結構。車頂骨架結構采用模塊化設計，便于最后整車模塊化拼裝。每個骨架模塊中，風道結構由3根支撐梁承載，支撐梁的兩端通過吊座用螺栓連接于車頂鋁合金型材的滑槽中，中頂板結構的兩邊預置了兩根安裝的邊梁，邊梁通過螺栓與風道下部的頂板邊梁連接，同時中頂結構兩邊與邊頂板搭接，邊頂板直接固定在側墻，扶手上端安裝在支撐梁凹槽中，下端與浮置地板相連。圖為車頂骨架結構各部分的結構示意圖，由上到下依次為風道和吊座結構，支撐梁結構，中頂板結構和扶手結構。
由于該地鐵車頂骨架結構是由板、梁組成的復雜三維空間結構，各個組件的厚度都比較薄，而且與長度相差太大，理論上各構件都可看作是薄壁板殼結構，因而可以全部采用板殼單元建立計算模型.將三維模型導入Hypermesh軟件中，對實體幾何進行抽中面，并根據實際情況針對各個中面進行連接，采用Altair公司的Hypermesh劃分網格，網格劃分前對各結構件進行模塊分組，為提高整個網格劃分的速度和保證網格的質量，縮短計算時間，需對該車頂骨架幾何模型進行清理，去除對分析結果影響較小的倒圓以及小孔等幾何區域，在本次有限元模型建模中，針對螺栓連接進行一定的簡化，螺栓連接的兩個部件，根據螺母或者墊片大小在連接處生成相應網格區域，并通過剛性單元將該區域的從節點與其中心處的主節點連接，用與螺栓相同截面的梁單元連接兩個剛性單元的主節點，模擬螺栓連接處的實際受力情況，上圖為幾何中面，下圖為有限元螺栓連接模型。扶手部分忽略外部裝飾殼建模，只對鋼結構件進行模擬，扶手安裝座和扶手內套筒采用六面體實體單元進行劃分，實體單元與二維殼單元以及一維梁單元的節點自由度不匹配，故在實體單元表面覆蓋一層0.1mm厚的板單元，使實體單元的表面節點由原先的3個自由度轉變為6個自由度，扶手安裝結構如圖所示，扶手安裝結構中的銷結構通過相同截面的梁單元進行模擬，扶手部分中三通座同時連接立柱扶手桿和橫扶手桿三個桿件，三通座對與扶手桿有緊固作用，涉及到非線性接觸，為了保證分析在線性域內進行，采用剛性單元模擬扶手桿和三通座之間的緊固作用，使兩部分的自由度耦合，圖為三通座與扶手桿連接示意圖，紅色部分為剛性單元及模擬螺釘的梁單元，針對上述結構進行拼裝，生成車頂骨架單個模塊，方便后期整備車輛模型的拼裝。圖為最后劃分好網格的車頂骨架模塊效果圖，最后在Hypermesh中賦予材料屬性和板厚，其材料特性見表。
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