汽車的設計與製造是一個非常複雜的系統工程，需要考慮零件、子系統、系統，乃至整車的各個層面，綜合運用材料科學、能源科學、信息科學和製造科學的相關知識、理論和方法。本套“汽車工程專業系列叢書”涵蓋了汽車製造系統和質量、汽車動力總成、汽車材料及輕量化、車身耐久性、汽車安全仿真與最佳化、汽車系統控制及其智慧型化、汽車尾氣排放處理與二氧化碳減排等多個方面的內容，涉及汽車輕量化、安全、環保、電子控制等關鍵技術。
本書主要從材料與材料工藝基礎，應力和應變，固體力學基礎，斷裂與疲勞，蠕變、磨損和腐蝕，載荷與耐久性試驗，接頭疲勞，熱機械疲勞，殘留應力，系統的耐久性設計工具十個方面，向讀者展示了汽車耐久性的專業內容與最新研究成果。
基本介紹
- 書名：汽車設計的耐久性分析
- 作者：韓維建
- ISBN：978-7-111-54920-8
- 頁數：220頁
- 定價：50.00
- 出版社：機械工業出版社
- 出版時間：201610
- 開本：16開
圖書目錄,叢書總序,推薦序一,推薦序二,前言,作者簡介,
圖書目錄
叢書總序
推薦序一
推薦序二
前言
第1章 引言1
思考題4
參考文獻4
第2章 材料與材料工藝基礎5
2.1 應力應變曲線6
2.2 金屬的理論屈服強度10
2.3 材料的缺陷與位錯12
2.4 材料的硬化機制15
2.4.1 加工硬化16
2.4.2 固溶強化和合金化16
2.4.3 析出硬化17
2.4.4 晶界17
2.4.5 相變硬化17
2.5 聚合物18
2.6 高分子複合材料21
思考題21
參考文獻22
第3章 應力和應變24
3.1 應力張量26
3.2 平衡方程32
3.3 應變張量34
3.4 協調方程37
3.5 固體力學的基礎方程和邊界條件38
3.6 外力的功和材料的應變能39
思考題41
參考文獻42
第4章 固體力學基礎43
4.1 線彈性理論44
4.1.1 彈性常數44
4.1.2 彈性力學方程47
4.2 彈性力學的有限元方法52
4.2.1 泛函與變分法52
4.2.2 虛功原理54
4.2.3 里茲方法55
4.2.4 有限元法57
4.3 塑性力學61
4.4 黏彈性力學68
4.4.1 黏彈性模型69
4.4.2 三維本構關係71
思考題71
參考文獻74
第5章 斷裂與疲勞75
5.1 韌性斷裂75
5.2 脆性斷裂77
5.3 應力集中78
5.4 斷裂力學和斷裂韌度79
5.5 材料的疲勞83
5.6 疲勞載荷與S-N曲線85
5.7 平均應力效應和Haigh圖88
5.8 缺口效應和表面粗糙度的影響90
5.9 低周疲勞與εN曲線93
5.10 循環應力應變曲線95
5.11 Neuber方法及局部彈塑性應變的估算99
5.12 多軸疲勞100
5.13 雨流計數法與Miner累積損傷定律102
5.14 疲勞裂紋擴展105
5.15 統計方法在疲勞分析中的套用107
思考題108
參考文獻110
第6章 蠕變、磨損和腐蝕112
6.1 蠕變112
6.2 磨損118
6.3 腐蝕122
6.3.1 電化學腐蝕124
6.3.2 點蝕126
6.3.3 縫隙腐蝕127
6.3.4 腐蝕速率127
6.3.5 腐蝕疲勞127
思考題128
參考文獻129
第7章 載荷與耐久性試驗130
7.1 整車耐久性試驗131
7.1.1 公共道路試驗131
7.1.2 試驗場試驗132
7.1.3 實驗室道路模擬試驗（台架試驗）133
7.1.4 計算機輔助耐久性分析方法134
7.2 零部件、系統級耐久性試驗和關鍵壽命試驗135
7.3 加速試驗方法136
思考題137
參考文獻137
第8章 接頭疲勞138
8.1 鋼點焊接頭的疲勞139
8.2 鋁合金點焊接頭的疲勞(Yandong,2013)142
8.3 鋁合金粘接接頭(Chen,2015)147
8.4 點焊接頭的CAE模型151
8.4.1 點焊接頭的局部模型及應力分析152
8.4.2 焊核傳遞的載荷153
8.4.3 基於等效應力的疲勞數據關聯154
思考題157
課程設計157
參考文獻158
第9章 熱機械疲勞160
9.1 等溫疲勞160
9.2 高溫應力、應變行為162
9.3 熱機械疲勞163
9.4 鑄造鋁合金髮動機汽缸蓋的熱機械疲勞分析167
9.4.1 三維疲勞壽命模型167
9.4.2 材料本構關係168
9.4.3 熱疲勞試驗與數值模擬170
思考題174
課程設計174
參考文獻174
第10章 殘留應力176
10.1 熱應力176
10.2 殘留應力178
10.3 鑄造鋁合金髮動機缸體的應力182
10.4 殘留應力與缸蓋的高周疲勞185
10.4.1 水淬過程的熱分析186
10.4.2 空氣淬火的熱分析187
10.4.3 淬火分析中的材料本構關係188
10.4.4 汽缸蓋的殘留應力190
10.4.5 以殘留應力作為平均應力的高周疲勞預測191
思考題194
課程設計194
參考文獻194
第11章 系統的耐久性設計工具196
11.1 失效模式與影響分析（FMEA）197
11.1.1 基本術語197
11.1.2 FMEA過程198
11.1.3 處置措施201
11.1.4 PFMEA過程202
11.2 魚骨分析202
11.2.1 過程203
11.2.2 歷史跟蹤方法204
思考題205
參考文獻206
叢書總序
中國的汽車產業發展迅速，已經成為我國國民經濟的支柱產業之一。隨著家庭平均汽車保有量的迅速增長，汽車給整個社會帶來的能源、環境、交通和安全的壓力日益加大。儘管汽車在輕量化、電動化、排放控制技術和安全技術方面已經有了長足的進步，尤其是近幾年網際網路和通信技術在汽車的獨立駕駛和智慧型化方向提供了極大的發展和創新的空間，但諸多的發展給汽車產業帶來無限的挑戰和機遇。因此，行業的快速變化亟需培養一大批不僅懂專業技術，更熟悉跨界知識的創新型人才。
重慶大學汽車協同創新中心認識到人才培養的迫切需求，組織我們為新成立的汽車學院編寫一套教材。參與這套教材編寫的所有作者都身在汽車行業的科研和技術開發的第一線，其中大部分作者是近年海歸的年輕博士。教材的選題經過專家在傳統學科和新興學科中反覆地論證和研討，遴選了汽車行業面臨緊迫挑戰性的技術和話題。第一批教材有八本，包括《汽車材料及輕量化趨勢》《汽車設計的耐久性分析》《汽車動力總成現代技術》《汽車安全的仿真與最佳化設計》《汽車尾氣排放處理技術》《汽車系統控制及其智慧型化》《中國汽車二氧化碳減排路徑》和《汽車製造系統和質量控制》。
這套教材的一個共同特點就是與國際發展同步、內容新穎。編著者對於比較傳統的學科，在編寫過程中儘可能地把最新的技術和理念包括進去，比如在編寫《汽車材料及輕量化趨勢》的過程中，不僅介紹了各種輕量化材料的特點和動向，而且強調了輕量化材料的套用必須系統地考慮材料的性能、部件的加工方法和成本。有些選題針對汽車行業發展的新的技術動向，比如《汽車安全的仿真與最佳化設計》主要介紹汽車安全仿真的模型驗證和最佳化，這是汽車產品開發採用電子認證的必經之路；而《汽車系統控制及其智慧型化》概括了汽車的主要系統及其控制，以及智慧型化技術在各個系統中的套用，這些都是汽車自動駕駛的基礎。
這套教材的另一個突出的特點是實用，比如一般汽車設計要求非磨損件的壽命是24萬公里。《汽車設計的耐久性分析》著重介紹了汽車行業用於耐久性分析的主要工具和方法，以及這些方法的理論基礎。這是進行汽車整車和零部件壽命耐久性正向設計的基礎。隨著環境保護的法規日益嚴格，汽車排放控制技術也在不斷發展提高。汽車動力技術已經形成化石燃料到其他燃料的多元化發展，《汽車尾氣排放處理技術》和《中國汽車二氧化碳減排路徑》介紹了排放控制技術的進程和法規實施的協調，以及達到法規要求的不同技術路線。汽車質量一直是熱門話題，也是一個汽車企業長期生存的關鍵問題之一。《汽車製造系統和質量控制》介紹了現代汽車製造系統與質量控制的基本概念和實踐。
本套叢書不僅對汽車專業的學生大有裨益，也可以作為汽車從業人員和所有對汽車技術感興趣者的參考讀物。由於時間有限，選題的範圍還不全面。每本書的內容也會反映出作者的知識和經驗的局限性。在此，真誠地希望廣大讀者提出意見，供我們不斷修改和完善。
2016年8月5日
推薦序一
隨著我國汽車工業的快速發展，先進的汽車設計理論和技術在車身開發中越來越受到重視。同時，汽車發展遇到了環保、能源、交通等各個方面的諸多問題，在這種新形勢下，從業者掌握和熟練運用核心設計技術顯得尤為重要。
汽車的設計與製造是一個非常複雜的系統工程，需要考慮零件、子系統、系統，乃至整車等各個層面，綜合運用材料科學、能源科學、信息科學和製造科學的相關知識、理論和方法。本套“汽車工程專業系列叢書”涵蓋了汽車製造系統和質量、汽車動力總成、汽車材料及輕量化、車身耐久性、汽車安全仿真與最佳化、汽車系統控制及其智慧型化、汽車尾氣排放處理與二氧化碳減排等多個方面的內容，涉及汽車輕量化、安全、環保、電子控制等關鍵技術。
本套叢書的作者既有在汽車相關領域工作多年、有豐富經驗的專家，也有學成回國、已嶄露頭角的後起之秀；內容安排上既有適合初學者學習的大量基礎理論知識，也融入了編著者在相關領域多年來的研究體會和經驗，從中我們能充分體會到現代汽車技術節能、環保和智慧型化的發展趨勢。叢書結合大量實例，取材豐富、圖文並茂。
本套叢書可作為汽車設計的參考工具，也可作為車輛工程、機械工程、環境工程等專業研究生的專門教材及學習參考書。相信該書對於汽車行業相關領域的研究生、企業研發人員和科研工作者會產生重要的啟發作用，特作序推薦。
上海交通大學
推薦序二
作為《中國製造2025》戰略部署的主要支點之一，汽車業的持續、快速、健康發展將為中國製造業強國目標奠定堅實的基礎。面對中國汽車產業大而不強的現狀，自主品牌汽車產業的發展壯大時不我待。重慶自主品牌汽車協同創新中心，立足於重慶地區汽車產業，依託國家“2011計畫”，以我國自主品牌汽車發展重大需求為牽引，以體制機制創新為手段，探索我國汽車自主品牌的發展模式。中心面向國內自主品牌汽車產業，重點開展培養高端人才，匯聚優秀團隊，研發核心技術，推廣產業套用，整合優勢資源，搭建交流平台等工作。重慶自主品牌汽車協同創新中心瞄準“節能環保、安全可靠、智慧型舒適”的國際汽車三大發展趨勢，凝練學科發展方向，匯聚創新資源和汽車及相關領域的優勢學科群，建立了全面涵蓋汽車行業研究領域的創新團隊。本套叢書由汽車中心特別顧問、福特汽車亞太區技術總監韓維建博士積極推動。叢書主編韓維建博士基於數十年國際一流汽車工程經驗以及獨到全面的行業技術趨勢把握，整合及組建了編著團隊進行叢書各個書籍的編著。編著團隊的成員主要由具有多年國際汽車公司工作經驗，並且在高校及企業科研一線工作的歸國人員組成。叢書內容擁有立足成熟技術、緊跟國際前沿、把握領域創新的特點及優勢，叢書的成功出版將為國內汽車行業及學科提供全面而翔實的參考材料。
書籍是知識傳播的介質，也是人才培養及創新意識傳承的基礎。正如重慶大學建校宣言“人類之文野，國家之理亂，悉以人才為其主要之因”所闡釋的，本套叢書秉承重慶自主品牌汽車協同創新中心人才培養方針，主要面向高校汽車相關學科本科及研究生的教學，同時也可為汽車行業工程人員參考。相信本套叢書會對我國汽車領域學科及行業產生積極良好的推動作用。
江蘇省產業技術研究院
前言
汽車是現代人類工作、生活不可或缺的交通工具。作為一種長期承受負荷的產品，汽車整車及其零部件應當具有在較長時間內保持功能正常和良好狀態的性能，即耐久性。汽車的耐久性是汽車設計中最關鍵的要素之一。汽車耐久性失效的根本原因是材料的弱化。材料的弱化可以來自機械載荷，例如汽車的自重和負載引起的結構疲勞以及相互運動零件的磨損，也可以來自熱或化學載荷，例如油漆的老化或連線接頭的腐蝕。耐久性分析的重點是描述材料的強度特性，記錄材料承受的載荷歷史，解析並預測材料的失效壽命，據此設計零部件，使其滿足相關的設計壽命要求。
本書首先回顧了汽車耐久性分析所需的基礎知識，包括材料與材料工藝基礎、應力和應變、固體力學基礎等方面的基本概念；接著介紹了汽車耐久性的基本失效模式，涵蓋斷裂與疲勞，蠕變、磨損和腐蝕等，並介紹了車輛的載荷與耐久性試驗。車身結構的接頭疲勞、發動機缸蓋的熱機械疲勞以及殘留應力的作用是影響汽車耐久性的重要問題，也是作者的研究領域，這些都在本書做了重點討論。本書最後介紹了兩種非常流行的系統的耐久性設計工具，即失效模式與影響分析（FMEA）、魚骨分析。
汽車的耐久性分析是一門工程學科，是綜合性學科，涉及材料、力學、機械、物理和化學等許多領域。因此本書僅是一本基礎入門圖書。有需要進一步了解細節，並做有關設計的讀者，可根據本書的介紹，對相關的學科做更細的研讀。
在本書的寫作過程中，作者盡最大努力將自己對汽車耐久性分析的理解和多年積累的經驗融入文字，並結合工業實際，介紹了諸多分析實例。本書作為參考書，適合高校相關專業的學生和從事汽車耐久性分析與設計工作的工程師。由於時間倉促和作者的閱歷有限，疏漏和不妥之處在所難免，歡迎讀者提出批評和修改意見。
作者特別感謝黃詩堯、馬秋、石燕棟、黃理、李文凱、孫顯俊和陳秋任，他們提供了資料整理和文字校對方面的協助。
蘇旭明
作者簡介
蘇旭明
師從已故上海大學的錢偉長教授，獲得套用力學專業博士學位。曾於天津大學執教，後赴德國凱澤斯勞滕擔任洪堡研究員。在過去的20年裡，以材料及其耐久性領域技術帶頭人的身份就職於美國福特汽車公司，主攻晶體塑性、材料本構關係、斷裂與疲勞等。最新的科研工作涵蓋了輕量化金屬、聚合物複合材料、殘留應力分析及鑄鋁材料的熱機械疲勞等。至今已發表論文70餘篇。目前擔任重慶大學的客座教授。
鄭鑫
現就職於中國一汽無錫油泵油嘴研究所，主要從事高壓共軌柴油噴射系統的可靠性和耐久性評價與分析工作。曾獲得南京航空航天大學與美國密西根大學聯合培養的機械工程博士學位。在美國攻讀博士學位期間，曾任福特汽車公司材料科學部門研究助理。在Engineering Fracture Mechanics、Materials Science and Engineering：A、SAE International Journal of Materials and Manufacturing等期刊發表了多篇學術論文。
李大永
上海交通大學機械與動力工程學院教授。曾獲吉林工業大學博士學位，曾在美國密西根大學、福特汽車研究與創新中心和俄亥俄州立大學做訪問研究。主要圍繞鎂、鋁、高強鋼等輕量化材料的塑性變形理論與成形工藝技術方面開展研究與開發工作，發表論文100多篇，授權發明專利15項。獲得省部級科技進步一等獎2項，國家科技進步二等獎1項，以及上海國際工業博覽會創新獎等。
