2016年我国客车销量达53.77万辆,连续16年居于世界首位。数量庞大的客车会对环境和燃油消耗造成巨大的压力,因为客车自重较大,所以实现其轻量化能有效提升燃油经济性,减少尾气排放。而且客车车身骨架作为客车的主要承载构件和质量比重最大的部件,轻量化的同时也应保证客车的刚度性能满足相关要求。为了实现客车车身骨架的轻量化,本文开发了一种变截面梁单元并应用于客车骨架中。它是在等截面薄壁箱梁的基础上,梁的四个壁面中的一个或多个加以倾斜产生倾角所得,其截面尺寸线性变化。所开发的变截面梁单元使得建模简单,并有利于后期结构优化。在开发变截面梁单元的过程中,以现有客车骨架的等截面梁为基础,创建了相应的变截面梁几何模型,根据梁的跨高比,将骨架中梁分为箱形薄壁细长变截面梁和箱形薄壁短粗变截面梁。针对细长变截面梁(跨高比大于等于5:1),基于Euler-Bernoulli理论推导了变截面梁轴力、扭转、弯曲三种工况的二节点和三节点单元的刚度矩阵;针对短粗变截面梁(跨高比小于5:1),基于Timoshenko理论推导了变截面梁弯曲工况的三节点单元的刚度矩阵。分别将细长变截面梁和短粗变截面梁各个工况的刚度矩阵组装,得到了两种梁相应的局部坐标系下的三维总体刚度矩阵。再将局部坐标系中的梁单元刚度矩阵转换到客车骨架结构的总体坐标系中。刚度矩阵的计算通过MATLAB软件编程实现。对Euler-Bernoulli变截面梁进行了仿真和试验,依次验证了轴力、扭转和弯曲工况下梁单元的正确性。对于轴力和扭转工况,建立了变截面梁几何模型,在Hyper Works中采用壳单元进行了仿真计算,将仿真结果与依据Euler-Bernoulli梁理论推导程序的计算结果对比。对于弯曲工况,加工了细长变截面梁,进行了三组悬臂梁弯曲试验得到弯曲挠度,在Hyper Works中对相应的壳单元模型进行了计算,依据Euler-Bernoulli理论推导的程序进行了计算,将试验挠度、壳单元仿真挠度和梁程序计算挠度进行了对比。接下来,通过仿真对比验证了Timoshenko变截面弯曲工况的梁单元,根据车架中的短粗梁,建立了相应几何模型,在Hyper Works中采用壳单元进行了仿真计算,依据Timoshenko理论推导的程序进行了计算。之后,利用变截面梁优化了一个简化的客车车架。依据某客车车架建立了简化模型,根据本文编写的梁单元程序,求解了车架的静态刚度。将车架中等截面梁逐根依次替换为变截面梁,求解了包含变截面梁车架的静态刚度,根据车架刚度的变化情况,确定了每根梁对车架刚度的影响。再将合适的变截面梁组合,最终得到了一个包含变截面梁和等截面梁的车架,保证车架刚度的同时,实现了轻量化。最后利用变截面梁优化了一个客车车身骨架。参考某客车车身骨架建立了模型,将其分为11个模块,分别计算每个模块对各个设计变量的弯曲刚度灵敏度和扭转刚度灵敏度,根据灵敏度信息,改变每个模块中梁的设计变量,得到一个变截面梁车身骨架,既提升了车身骨架的静态刚度,又实现了轻量化,说明了所开发的变截面梁单元在客车轻量化中具有良好的效果。