汽车设计的耐久性分析

内容概要

苏旭明

师从已故上海大学的钱伟长教授，获得应用力学专业博士学位。曾于天津大学执教，后赴德国凯泽斯劳滕担任洪堡研究员。在过去的20年里，以材料及其耐久性领域技术带头人的身份就职于美国福特汽车公司，主攻晶体塑性、材料本构关系、断裂与疲劳等。最新的科研工作涵盖了轻量化金属、聚合物复合材料、残留应力分析及铸铝材料的热机械疲劳等。至今已发表论文70余篇。目前担任重庆大学的客座教授。

郑鑫

现就职于中国一汽无锡油泵油嘴研究所，主要从事高压共轨柴油喷射系统的可靠性和耐久性评价与分析工作。曾获得南京航空航天大学与美国密西根大学联合培养的机械工程博士学位。在美国攻读博士学位期间，曾任福特汽车公司材料科学部门研究助理。在Engineering Fracture Mechanics、Materials Science and Engineering：A、SAE International Journal of Materials and Manufacturing等期刊发表了多篇学术论文。

李大永

上海交通大学机械与动力工程学院教授。曾获吉林工业大学博士学位，曾在美国密西根大学、福特汽车研究与创新中心和俄亥俄州立大学做访问研究。主要围绕镁、铝、高强钢等轻量化材料的塑性变形理论与成形工艺技术方面开展研究与开发工作，发表论文100多篇，授权发明专利15项。获得省部级科技进步一等奖2项，国家科技进步二等奖1项，以及上海国际工业博览会创新奖等。

书籍目录

丛书总序

推荐序一

推荐序二

前言

第1章　引言1

思考题4

参考文献4

第2章　材料与材料工艺基础5

2.1　应力应变曲线6

2.2　金属的理论屈服强度10

2.3　材料的缺陷与位错12

2.4　材料的硬化机制15

2.4.1　加工硬化16

2.4.2　固溶强化和合金化16

2.4.3　析出硬化17

2.4.4　晶界17

2.4.5　相变硬化17

2.5　聚合物18

2.6　高分子复合材料21

思考题21

参考文献22

第3章　应力和应变24

3.1　应力张量26

3.2　平衡方程32

3.3　应变张量34

3.4　协调方程37

3.5　固体力学的基础方程和边界条件38

3.6　外力的功和材料的应变能39

思考题41

参考文献42

第4章　固体力学基础43

4.1　线弹性理论44

4.1.1　弹性常数44

4.1.2　弹性力学方程47

4.2　弹性力学的有限元方法52

4.2.1　泛函与变分法52

4.2.2　虚功原理54

4.2.3　里兹方法55

4.2.4　有限元法57

4.3　塑性力学61

4.4　黏弹性力学68

4.4.1　黏弹性模型69

4.4.2　三维本构关系71

思考题71

参考文献74

第5章　断裂与疲劳75

5.1　韧性断裂75

5.2　脆性断裂77

5.3　应力集中78

5.4　断裂力学和断裂韧度79

5.5　材料的疲劳83

5.6　疲劳载荷与S-N曲线85

5.7　平均应力效应和Haigh图88

5.8　缺口效应和表面粗糙度的影响90

5.9　低周疲劳与εN曲线93

5.10　循环应力应变曲线95

5.11　Neuber方法及局部弹塑性应变的估算99

5.12　多轴疲劳100

5.13　雨流计数法与Miner累积损伤定律102

5.14　疲劳裂纹扩展105

5.15　统计方法在疲劳分析中的应用107

思考题108

参考文献110

第6章　蠕变、磨损和腐蚀112

6.1　蠕变112

6.2　磨损118

6.3　腐蚀122

6.3.1　电化学腐蚀124

6.3.2　点蚀126

6.3.3　缝隙腐蚀127

6.3.4　腐蚀速率127

6.3.5　腐蚀疲劳127

思考题128

参考文献129

第7章　载荷与耐久性试验130

7.1　整车耐久性试验131

7.1.1　公共道路试验131

7.1.2　试验场试验132

7.1.3　实验室道路模拟试验（台架试验）133

7.1.4　计算机辅助耐久性分析方法134

7.2　零部件、系统级耐久性试验和关键寿命试验135

7.3　加速试验方法136

思考题137

参考文献137

第8章　接头疲劳138

8.1　钢点焊接头的疲劳139

8.2　铝合金点焊接头的疲劳(Yandong,2013)142

8.3　铝合金粘接接头(Chen,2015)147

8.4　点焊接头的CAE模型151

8.4.1　点焊接头的局部模型及应力分析152

8.4.2　焊核传递的载荷153

8.4.3　基于等效应力的疲劳数据关联154

思考题157

课程设计157

参考文献158

第9章　热机械疲劳160

9.1　等温疲劳160

9.2　高温应力、应变行为162

9.3　热机械疲劳163

9.4　铸造铝合金发动机汽缸盖的热机械疲劳分析167

9.4.1　三维疲劳寿命模型167

9.4.2　材料本构关系168

9.4.3　热疲劳试验与数值模拟170

思考题174

课程设计174

参考文献174

第10章　残留应力176

10.1　热应力176

10.2　残留应力178

10.3　铸造铝合金发动机缸体的应力182

10.4　残留应力与缸盖的高周疲劳185

10.4.1　水淬过程的热分析186

10.4.2　空气淬火的热分析187

10.4.3　淬火分析中的材料本构关系188

10.4.4　汽缸盖的残留应力190

10.4.5　以残留应力作为平均应力的高周疲劳预测191

思考题194

课程设计194

参考文献194

第11章　系统的耐久性设计工具196

11.1　失效模式与影响分析（FMEA）197

11.1.1　基本术语197

11.1.2　FMEA过程198

11.1.3　处置措施201

11.1.4　PFMEA过程202

11.2　鱼骨分析202

11.2.1　过程203

11.2.2　历史跟踪方法204

思考题205

参考文献206

作者简介

汽车的设计与制造是一个非常复杂的系统工程，需要考虑零件、子系统、系统，乃至整车的各个层面，综合运用材料科学、能源科学、信息科学和制造科学的相关知识、理论和方法。本套“汽车工程专业系列丛书”涵盖了汽车制造系统和质量、汽车动力总成、汽车材料及轻量化、车身耐久性、汽车安全仿真与优化、汽车系统控制及其智能化、汽车尾气排放处理与二氧化碳减排等多个方面的内容，涉及汽车轻量化、安全、环保、电子控制等关键技术。

本书主要从材料与材料工艺基础，应力和应变，固体力学基础，断裂与疲劳，蠕变、磨损和腐蚀，载荷与耐久性试验，接头疲劳，热机械疲劳，残留应力，系统的耐久性设计工具十个方面，向读者展示了汽车耐久性的专业内容与最新研究成果。

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