中国是一个人口大国,汽车保有量逐年递增,能源危机和环境污染成为越来越严重的问题,虽然国家大力发展高铁和民航业以解决人民的出行问题,但每年春运时公路运输仍是主力军,因此大力发展客车产业仍具有紧迫性。自本世纪以来,中国的客车产业进入了一个高速发展期,市场的竞争也日趋激烈,随着客车在运行过程中出现多起群死群伤事件,对客车的技术性能也提出了更高的要求,客车车身结构作为客车重要的部件,其不仅是各种零部件的安装载体,同时也是整车主要的承载部件和功能部件,对其设计性能的好坏将直接影响到客车整车的动力性、经济型、舒适性和安全性等。近些年随着CAE技术的引入应用和自主培养的一批客车结构技术人才的不断成长,客车车身结构的设计已从前些年的逆向模仿走向正向设计,整车的结构性能改善明显,车身结构的静刚度特性、动刚度(模态)特性、抗侧翻能力及轻量化水平稳步提升,全承载式车身结构成为行业的主流。在此大的背景前提下,本文基于对客车身结构性能的研究,以车身结构动、静刚度指标为研究对象,通过对多款承载式车身结构动、静刚度性能的分析,总结并提出新的车身结构性能评价方法,并将新方法应用到车身结构的优化和匹配设计之中。论文研究工作主要思路是:对现有的车身结构设计理论和分析方法进行分析和总结,对研究团队提出的评价方法进行完善和改进,在此基础上,提出新的高效并切实可行的客车车身结构性能(包括静刚度和动刚度性能)评价和设计方法,结合多年在企业的工程实践经验,将研究成果应用到车身结构设计之中,得到兼顾结构力学性能和轻量化的全新客车车身结构,以验证评价方法和设计方法的有效性和方便性。根据上述研究工作路线,本文主要完成以下几个方面内容:一、对现有车身局部刚度贡献度评价方法的不足进行完善和改进,提出一种车身结构局部刚度贡献度系数的评价方法。车身结构局部刚度贡献度系数的评价方法是在车身局部刚度贡献度评价方法基础上,将局部模块质量与整车质量之比(即质量系数)引入到刚度贡献度评价方法中,提出车身局部模块刚度贡献度系数的概念,即同时考虑模块的刚度贡献度和质量系数两个评价指标,建立一种相对直观且可归一化的车身结构刚度性能评价方法。对评价方法的过程进行总结,建立评价流程,为车身刚度贡献度系数评价方法指导客车车身结构匹配优化设计和车身结构轻量化材料的应用奠定基础。二、基于车身结构局部刚度贡献度系数评价方法进行车身结构匹配设计方法应用研究。论文首先用车身结构试验测试数据来修正CAE计算模型,为后续研究工作的分析模型准确性奠定基础;以某型实际工程应用的全承载公路客车车身结构为研究对象,先对该结构进行基于左、右侧结构刚度互补的车身结构刚度性能匹配设计得到一款优化车身结构,在此基础上继续应用车身局部刚度贡献度系数评价方法进行刚度性能评价和结构优化设计,得到一款中门后置的客车车身结构,再对得到的车身后置车身结构进一步进行按上、下部结构的刚度贡献度系数评价和结构优化设计,最终得到一款全新车身结构匹配设计方案----平行三桁架式全承载客车车身结构。经对得到的创新结构的综合性能分析,与初始结构相比,整车的结构弯曲刚度和扭转刚度分别提高84.67%和94.13%;一阶弯曲频率和一阶扭转频率分别提高18.22%和23.35%;三种典型工况下的最大应力下降57.89%;结构质量减重407kg,轻量化幅度13.59%。案例结果数据充分表明,车身结构局部刚度贡献度系数评价方法对车身结构匹配设计具有重要的理论指导意义和工程应用价值。三、基于车身结构局部刚度贡献度系数评价方法的轻量化车身结构设计方法研究。以前文研究得到的平行三桁架式全承载客车车身结构为研究对象,论文首先建立车身结构局部刚度贡献度系数评价准则,对刚度贡献度系数1iU(29)和1iU(27)部分结构分别进行不同类型轻量化材料的替换应用,充分利用和发挥各种材料的性能特性,使“合适的材料用在合适的部位”。论文分四步,研究了车身结构不同部位替换不同轻量化材料后的整车综合性能情况,基于以上性能的分析结构,最终提出一款包含高强度钢、铝合金和碳纤维的多种材料车身结构。经对得到的多种材料轻量化车身结构的综合性能分析,与初始结构相比,整车的结构弯曲刚度和扭转刚度分别提高49.56%和76.95%;一阶弯曲频率和一阶扭转频率分别提高28.98%和42.97%;三种典型工况下的最大应力下降42.21%,最大变形减小36.22%;结构质量减重1140kg,轻量化幅度38.06%。案例结果数据充分表明,车身结构局部刚度贡献度系数评价方法对车身结构轻量化设计具有重要的理论指导意义和工程应用价值。四、提出一种基于模态分析的车身各局部结构模态贡献度评价方法。模态分析是客车车身结构性能评价的重要方面,本论文在对车身结构静态刚度评价方法进行研究和应用的基础上,提出“车身局部模态贡献度评价方法”,通过调整车身各局部模块结构刚度(如杨氏模量E),来考察局部结构对整车结构模态特性变化的影响,以建立一种方便使用的新车身结构模态评价方法。该方法可通过对整车结构进行逐级划分,寻找到影响整车结构模态频率的最敏感的车身结构区域,以指导优化车身局部结构的优化设计。该方法建立了一种更广义的结构模态灵敏度分析方法,是对客车车身结构静态特性研究成果的进一步延伸和深化,为工程技术人员调整整车的动态性能提供了有效的技术指导。通过案例的分析,数据结果充分说明该方法的使用方便性和有效性,为客车车身结构进行基于模态频率特性的结构优化设计提供了重要指导,具有重要的理论意义和工程应用价值。