铁路是国民经济的交通大动脉，轨道交通装备是铁路和城市轨道交通运输所需各类装备的总称，主要涵盖了列车车辆、工程及养路机械、通信信号、牵引供电、安全保障、运营管理等各种机电设备。轨道交通运输列车轻量化对节约能源、减少铁路损害、减少动力消耗和减轻制动系统的负荷具有重大意义。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，而叶轮是风机的关键部件,其质量优劣,决定着整机的质量。对于轨道交通中采用的风机系统多使用轴流风机，当叶轮旋转时，气体从进风口轴向进入叶轮，收到叶轮上叶片的推挤而使气体的能量升高，然后流入导叶，导叶将偏转气流变为轴向流动，同时将气体导入扩压管，进一步将气体动能转换为压力能，最后引入工作管路。

目前应用轨道交通列车的风机系统主要包括牵引电机冷却作用的牵引风机、变压器风机、主冷风机、自动刹车电阻负载冷却风机和逆变器风机。这些风机叶轮多采用金属材料，这些材料密度大，效率低，成本高、份量重、耐腐蚀性差,遇粉体颗粒碰冲易发生瓦斯爆炸等现象，与传统的金属叶轮相比，复合材料叶轮具有低振动，低噪音，轻质高效，抗疲劳、热膨胀系数小、耐腐蚀、易维修等优点。但是为了在提高车速时减小运行的阻力，车体的横截面积尽可能越小越好，车载重量尽可能轻，且可靠性要求高，这一系列的要求使得轨道交通列车风机要求尺寸小、重量轻、结构紧凑，且具有抗冲击和振动的能力，因此要对轴流风机所要设计使用的碳纤维叶片风机进行轻量化结构设计与分析。

国内外的研究现状分析：

Arts et Metiers ParisTech的C. Sarraf和 H.Nouri[1]通过研究叶片厚度对可控涡轴流风机整体和局部性能的实验研究，得到了使用厚叶片可以再更大的工作范围内，在气动性能和声学性能之间取得很好的折中的结论；美国密歇根州立大学涡轮机械实验室的JifengWang和JorgeOlortegui-Yume[2]等人分析了一种低成本、轻量化、高性能的复合材料蜗轮机械叶轮，经济地使用制冷设备，以水为制冷剂，建立了一种强度和动力特性分析程序，用于评估这些缠绕式复合轴流叶轮在工作载荷条件下的最大应力和固有频率；上海科技大学的Michael B. Wilkinson [3]等人对一种M-fan测试时，在Stellenbosch 大学 BS848 (ISO 5801) A 型风机测试设备上进行，其设备如图1所示，揭示了叶尖间隙、叶片角和轮毂结构对风机性能的影响。

在国内，目前应用轨道交通列车的风机系统主要包括牵引电机冷却作用的牵引风机、变压器风机、主冷风机、自动刹车电阻负载柜冷却风机和逆变器风机等。图2是分别CRH系列牵引风机、HXD2主变流器风机、HXD3牵引风机和HXD3主冷风机的实物图，它们是目前主要应用的轨道交通风机系统。

目前国内外研究人员对轴流式通风机的研究和设计主要集中在通风机叶结构的优化方面，从而提高轴流式通风机的全压和效率。在叶片优化设计的研究中主要关注的是比转速、叶片安装角、叶片进出口气流角等参数对风机性能的影响。东南大学的封遥和董云山[4]应用流体计算软件Fluent对大型火电机组轴流风机运行特性及内流特征的数值模拟，得到了相同流量下随着动叶安装角的减小，叶片压力面与吸力面速度变化梯度减小，做功能力减弱，风机的全压升逐渐减小的结果；中国矿业大学的姜勇和尹彤[5]研究复合纤维风机叶片的静强度要求、刚度要求、抗疲劳要求及气体动力学外形设计要求，取某1.5MW风力机叶片为研究对象，建立其壳体模型，并进行有限元分析；合肥通用机械研究院的黄文俊[6]等人对叶轮进行全尺寸几何建模和详细的复合材料结构铺层，研究了复合材料离心叶轮在离心力作用下的最大应力和振动固有频率，并对复合材料离心叶轮及钢制叶轮的极限承载能力( 即叶轮最大线速度) 进行了计算与对比分析；哈尔滨工业大学的张海军[7]针对CRH1型动车组牵引电机冷却塔风机转轴疲劳破坏问题，利用ANSYS有限元软件建立转轴的三维分析模型，并利用材料力学相关理论，对风机转轴强度进行计算，最后根据所表征的转轴宏观和围观形貌，分析了转轴的断裂原因。