随着汽车工业的日益发展，石油消耗迅速增加、环境污染加剧等一些不可避免的问题接踵而至，汽车轻量化这一发展方向应运而生。它可以给汽车减重，显著节约油耗，减少排放与污染，还可以改善电动汽车的续航里程以及动力性的不足。

针对大客车而言，车身骨架是整车的主要承载部件，可以说其轻量化实际上就是车身骨架结构的轻量化。本文旨在对大客车的骨架结构利用有限元分析的方法进行优化设计，以达到轻量化的目的。

传统的车身设计方法是基于工程经验以及车身应力、应变或者振动的测试，由于设计周期长以及人力、物质资源消耗大，现在的企业工程师与高校学者们多采用有限元的方法对客车的车身骨架结构进行轻量化的优化设计。早在上世纪六十年代的时候，我国就开始了有限元方法的研究，直到七十年代末才有工程师们将有限元分析应用到汽车结构与设计中去。以长春汽车研究所的谷安涛和常国振为首发表了《汽车车架设计计算的有限元法》^[1]，从此掀开了汽车有限元研究的先河。进入到二十一世纪后，国内对汽车的有限元分析进行轻量化设计更是取得了许多成果。

早在2001年，东南大学的王海霞、汤文成、钟秉林等人^[2]就对CJ21GCHK型客车车身骨架进行了有限元分析建模。 江苏大学的王思祖、黄鼎友、曹佳、任明辉等人^[3]以某全承载式客车车身结构为基础建立有限元模型，并使用了拓扑优化的方法对结构进行优化。吉林大学的徐梓雯^[4]针对拓扑优化又提出了基于梁壳混合模型的局部拓扑优化方法。吉林大学的王晶^[5]针对某纯电动客车建立了有限元模型，在进行静态分析和模态分析后选用了尺寸优化方法，以客车骨架矩形钢管的厚度作为设计变量，以客车车身骨架质量最小为目标，以各静态工况的许用应力值等作为约束条件，最终得到了优化后骨架各部分的厚度值。华南理工大学的周云郊^[6]进行了尺寸优化的一点改进，先进行了灵敏度分析选出来有效的设计变量，最后以整车质量最小为目标进行了尺寸优化。清华大学汽车安全与节能国家重点实验室的苏瑞意、桂良进、吴章斌、田程、马林、范子杰等人^[7]更进一步考虑了多个学科性能，建立客车车身骨架的刚度、强度、振动模态和翻滚分析的有限元模型，采用响应面方法建立客车车身骨架的多学科优化模型，最后利用协同优化方法进行了计算求解。

国外在对车身结构轻量化方面研究比较早，结构优化主要分为拓扑优化、尺寸优化、形状优化。早在上世纪七十年代，西方发达国家就已经把有限元方法熟练地运用在了汽车车身结构优化方面。福特公司最早利用了NASTRAN软件分析了车身结构强度并优化成功。当然，客车行业的有限元运用较迟于轿车，直到八十年代欧洲的客车制造公司才把有限元分析运用到车身结构设计上去。尺寸优化是应用最早并且最为成熟的一种车身轻量化技术，Lan F, Chen J, Lin J^[8]使用梁结构对车身骨架进行有限元建模，并利用尺寸优化的方法重新设计了横截面厚度，实现了轻量化的目标。拓扑优化被视为最具潜力的结构优化方案。早在1989年国外的Bendsoe就提出了连续体拓扑优化的方法，这也是结构拓扑优化的基石。在2005年Harald Fredricson^[9]就在论文里详细地描述了在汽车领域里拓扑优化的应用。

2. 研究的基本内容与方案

本文研究的目标是对大客车骨架的轻量化分析，采用的核心方法是有限元法建立车身骨架的有限元模型后，再进行性能分析，然后通过拓扑优化和尺寸优化以实现结构轻量化。最后比较轻量化前后的性能关系。

研究的步骤主要按照四大板块依次进行：

第一步，把骨架的CAD三维模型导入到Hypermesh中去，通过修复以及几何清理后划分网格，即可建立起车身骨架的有限元模型。