1 引言
传统客车车架大多采用钢材，车身较重。近年来，为了减重，新能源客车开始大量使用铝合金，而铝合金之间的连接对整个车身骨架性能有重大影响。铝合金焊接相对于钢焊接难度大且容易发生变形，所以需要减少铝合金焊接的使用。榫卯结构是一种最简单、稳定的连接方式，使用两块材料在不需第三者材料的介入下实现牢固连接，将榫卯结构的设计思想运用于以铝合金挤压型材为杆梁件的客车车身骨架中，可以一定程度上保持结构的完整性，大大减少焊接、铆接的使用，起到减少重量、提高连接强度的作用。王念等对电动中巴车榫卯结构骨架进行有限元分析表明榫卯连接方式满足相关工况的结构刚度和强度要求。本文选取车身骨架上的榫卯结构进行厚度和形状优化。
2 有限元模型的建立
2.1 模型简介
选取图1车身骨架中的榫卯结构进行优化，有限元模型如图1右边所示，梁上开孔，将柱插入孔中，孔周围的焊接采用共节点的方式连接，梁上的筋板刚好压到柱上，形成类似于家具、建筑中的榫卯结构。所有的壳单元原始厚度均为2，其中梁的尺寸为75mmX45mmX400mm，梁筋板间的距离为25mm;柱的尺寸为75mmX25mmX400mm，柱的筋板间的距离为45mm。
图1 车身骨架图和榫卯结构有限元模型
2.2 工况介绍
汽车的工况较为复杂，本模型提取5种典型工况进行分析，其中弯曲、紧急转弯、紧急制动和扭转4种工况使用OptiStruct求解，这4种工况的载荷和约束见图2和表1;另1种工况求解汽车发生磕碰时结构在压缩下的承载能力，使用RADIOSS进行求解，如图3所示，底下为4个半径为15mm的圆柱刚性墙，上面为一个半径为50mm的球刚性墙压头，进行准静态压缩80mm，提取压头力-位移关系，力对位移积分求得结构吸收的能量，能量除以位移即平均载荷。
平均载荷定义为结构所吸收的能量除以对应的位移量s，平均载荷的定义公式为
其主要衡量结构压缩下的承载能力。
图2 OptiStruct模型
表1 OptiStruct工况信息
图3 RADIOSS模型
3 HyperStudy优化模型的建立
优化设计三要素为设计变量、约束条件、目标函数。优化设计通常可以归纳为：在一定的约束条件下，选取设计变量，使目标函数达到最小（或最大），其数学表达式一般为：
3.1 设计变量
本模型中要求梁和柱的筋板一样厚、外框一样厚，如图4所示，黄色的为筋板，红色的为外框。现以筋板的厚度、外框的厚度、柱的长和宽为设计变量，为了能够优化柱的长和宽，需要先创建两个shape，如图5和图6所示。
图4 榫卯结构
图5 Shapel
图6 Shape2
