近年来,我国轨道交通装备制造业正朝着高速化、重载化的方向快速发展,旅客(货主)和经营者对车辆的可靠性要求也越来越高。为实现机车车辆整体的可靠性目标,轨道车辆的设计需要从细节入手,保证每个部分的安全性与可靠性。冷却系统是内燃机车重要系统之一,可保证内燃机、空调机及其它相关发热结构能够得到适当的冷却。散热器风扇作为机车冷却系统中重要的旋转部件之一,其可靠性和稳定性对整个冷却系统的正常运行至关重要。风扇旋转所造成的空气流动,能直接或通过散热片等热交换器间接带走热量,进而保持机车的热平衡,使机车安全正常的运行。本文以某型号内燃机车散热器风扇为研究对象,基于流固耦合的方法对风扇的疲劳性能和模态进行分析,并根据分析结果提出叶片空实心比例分配的优化方案。首先根据工程图纸建立风扇的三维实体模型,利用FLUENT软件对风扇进行气动性能试验模拟并与试验结果进行对比,确定仿真过程和相关设置的准确性与可行性;在此基础上,以风扇实际工作环境为依据,分别建立风扇的力学模型与流场模型并进行分析计算,使用多物理场耦合软件Mp CCI作为中介进行流固耦合结构强度和模态分析;然后,根据风扇叶片关键焊缝受力情况,参照国际焊接学会焊接结构疲劳评估标准与风扇的工作载荷谱,对风扇结构焊缝进行疲劳寿命的评估;最后,为优化叶片结构以提高风扇焊缝的疲劳可靠性,以风扇叶片空心段长度为变量,建立多个风扇分析模型,探究空心段长度对风扇叶片焊缝受力和固有频率的影响,并根据计算结果数据建立了不同空心段长度下风扇焊缝最大主应力和固有频率变化曲线所对应的函数模型,以风扇的叶片通过频率为边界条件,确定叶片空心比的合理取值区域,并通过综合对比得出风扇最优叶片结构方案。研究结果表明:本文使用数值模拟方法对本型号的散热器风扇进行流场分析具有较好的准确性。风扇在旋转工作过程中,叶片中部焊缝和根部焊缝均存在明显的应力集中现象,其中叶片中部焊缝的应力峰值位于叶片表面中部位置,叶片根部焊缝的应力峰值位于叶片侧边根部。对本文所研究的风扇来说,在大部分工作时间内,风扇的低阶振动固有频率和叶片一阶弯曲频率与叶片通过频率有较大的差值,处于安全范围之内,不会发生共振现象。经过估算,原结构风扇叶片中部空实心交接焊缝的疲劳寿命约为9.7年,风扇叶片根部焊缝的疲劳寿命约为8.3年。通过不同方案对比优化可得,当叶片空心段长度占叶片总长度之比约为0.682时,风扇叶片结构为最优。此时,叶片中部焊缝的理论使用寿命为10.38年,根部焊缝的理论寿命为10.44年,均达到了十年的使用要求。