随着我国客车产业的快速发展,激烈的市场竞争要求客车企业加大研发力度、提高产品质量,以提升市场竞争力。客车车身结构开发是整个客车产品开发流程中的重要一环,是体现企业自主设计水平的标志之一,而概念设计阶段的成功与否在很大程度上决定了车身产品的创新程度。车身结构的概念开发一直是我国客车企业的薄弱环节,传统的车身结构研发采用串行设计流程,设计人员在设计车身结构时往往依赖于经验,缺乏科学方法的支持;CAE分析没有参与结构设计的初始过程,只能根据后期发现的问题进行局部修改与优化。这就导致结构设计与性能分析在传统的车身结构概念设计流程中相互脱离,缺乏沟通,设计效率不高。因此,将并行设计思想引入客车车身开发流程,使CAE分析充分参与到结构设计过程中,是提高设计效率、提升产品质量的关键之一。本文结合某企业12米承载式客车车身结构开发项目,本着并行设计与分析驱动设计的正向开发思想,对车身整体结构正向设计过程中的匹配与优化问题进行了研究,对车身整体结构正向设计的基本方法与流程进行了探讨。首先在车身基本框架方案的基础上,以弯曲刚度为目标进行车身结构匹配设计,获得匹配车身载荷特性的车身杆件布置方案;再对车身杆件进行基于实际型钢截面库的截面尺寸优化,使车身结构满足轻量化与性能优化的要求;最后在MSC.Patran中进行二次开发,将CAE优化结果自动输出为CAD三维模型。结合以上方法初步形成车身整体结构正向设计的基本流程,既能在结构设计的早期兼顾车身结构轻量化与性能优化,又通过智能建模技术节省了三维数模人工重建所耗费的时间,缩短了设计周期。此外,本文还对侧围骨架接头细节的优化设计方法进行初步探讨,通过研究并归纳接头焊缝间距对接头强度与疲劳性能的影响规律,为客车骨架接头的正向设计打下先期基础。根据上述研究路线,主要完成了以下几方面内容:第一,提出了一种基于性能互补思想的车身结构匹配设计方法,并以此为指导在某车型的车身结构概念设计阶段建立了车身杆件布置方案。针对目前承载式客车车身由于开设乘客门导致左右侧围结构严重不对称,而车身载荷近似对称分布的问题,提出一种客车底架与侧围结构反向不对称设计思想,并根据该思想初步建立了一种车身结构的刚度匹配设计方法。首先通过提取变形特征点、拟合变形特征线以及统计处理等方法对传统的弯曲刚度计算方法进行了改进,多个算例证明了改进方法能够降低不同加载位置与局部变形对刚度计算结果的影响;再基于改进的弯曲刚度计算方法,给出车身主要分总成及单侧车身刚度的计算方法,通过底架与侧围结构的反向不对称设计获得多种车身结构匹配方案,考察了不同的刚度匹配方案对车身性能的影响趋势,结果证明,在所有结构方案中,当车身左右两侧弯曲刚度之比接近于1时,车身结构的各项主要性能均为最佳,验证了以弯曲刚度为目标的车身结构匹配设计方法的有效性。第二,建立了一种基于离散型钢截面库的截面尺寸两级优化方法,并应用于某车型车身结构概念设计阶段的杆件截面参数设计中,以满足车身结构轻量化与性能优化的要求。由于工程中客车车身杆件采用的型钢种类很有限,因此杆件截面尺寸优化的整个过程均基于离散的型钢截面库进行,避免了连续优化方法需要对优化结果进行圆整的问题。在第一级优化中,通过建立杆件应力计算局部模型,对全体车身杆件进行基于应力的一维搜索,最大程度的提高了车身结构的轻量化程度,同时搜索优化的效率也因为局部计算模型而得到了提高;在第二级优化中,以第一级优化结果作为初始结构,先通过灵敏度分析筛选出部分关键杆件,再对其进行基于NSGA-Ⅱ的多目标优化,以提高车身各项基本性能。第二级优化中还特别针对车身低阶模态的振型特点编写并嵌入了模态自动识别程序。应用结果表明,采用该方法所建立的车身结构方案,兼具性能良好与轻量化效果明显的优点,为后续工程设计奠定了良好的设计基础。第三,在MSC.Patran中进行了二次开发,实现将客车车身有限元模型智能转换为CAD三维模型的目的。在客车车身的概念设计阶段,简单的梁单元有限元模型就可以满足整体结构的分析需要,因此有限元模型建立或修改的工作量都不大;相比之下,结构设计人员根据分析优化结果建立或修改三维几何模型的工作量更大。为了解决这一问题,本文总结了客车车身梁单元模型杆件属性定义的四种情况,并以此为基础完成了杆件几何中线重生成的程序;总结了客车车身常见的杆件截面类型,完成了提取杆件截面尺寸数据、创建杆件几何断面的程序;创建了整体杆件自动生成模块,快速生成车身整体几何实体模型;创建了杆件修改模块,实现个别对象的修改与重建;创建了焊缝间距预留模块,能够按照给定的焊缝间距值对局部杆件进行旋转、创建操作。该自动建模模块的开发,实现了将梁单元有限元整车模型快速转换为三维实体几何模型的目的,有效的简化设计人员人工读取有限元优化结果、重建车身结构模型的工作量,提高了设计效率。第四,采用以上正向开发技术设计了某车型的车身结构概念设计方案并试制了样车骨架,通过对样车骨架进行自由模态、静态强度与静态刚度测试试验,验证了有限元建模方法以及车身整体结构匹配优化设计方法的有效性。第五,探讨了侧围骨架接头细节的优化设计方法。除了车身结构的整体正向开发,局部细节的优化设计也是车身结构概念设计阶段应当重视的环节,因此,本文还对承载式客车侧围骨架接头焊缝间距的优化设计方法进行了一些初步探讨。首先建立侧围简化模型,通过考察不同焊缝间距对接头强度与疲劳性能的影响,获得了焊缝间距对简化模型目标接头性能的影响规律;再以某车型车身概念设计方案中右侧围上的某一典型接头为对象,建立局部详细模型,通过考察不同焊缝间距接头模型的强度与疲劳性能,获得了不同工况下焊缝间距对接头强度及疲劳性能的影响规律;最后总结对比了简化模型与实际整车模型中侧围接头焊缝间距对接头性能的影响规律,为后续的局部结构正向设计研究奠定了先期基础。