汽车结构的耐久性 理论与实践

　　本书全面系统地介绍了现代汽车设计中汽车结构耐久性能的设计要求、相关分析的基础理论和方法，以及汽车主要系统的结构耐久分析。本书分为两部分。第1章至第8章为上篇，主要介绍汽车结构耐久性能的主要失效问题、相关问题的力学理论和分析方法。第1章概述汽车结构耐久的各种失效和主要设计要求。第2章讨论金属材料和结构的力学性能。第3章讨论汽车结构耐久仿真分析的多体动力学方法和有限元方法。第4章和第5章分别讲述汽车结构疲劳分析所需要的长期载荷下结构位移和应力的计算方法，着重介绍应力的模态分析理论。第6章叙述各种汽车结构相关的疲劳分析方法，包括汽车金属构件、焊点、焊缝、热疲劳的分析方法。第7章介绍金属零件接触表面的磨损，着重介绍零件表面接触应力计算和接触疲劳分析的方法。第8章讲述结构屈曲（稳定性）的基础理论。第9章至第15章为下篇，介绍汽车主要系统的结构耐久分析，包括汽车结构耐久的主要载荷的计算、底盘、车身、发动机和传动系统的结构耐久分析以及试验验证。 读者可以通过本书，全面了解当前汽车结构耐久设计与分析的主要内容、相关的基础理论，以及汽车主要系统的结构耐久分析方法，了解汽车结构耐久的主要失效问题和机理，以及相应的分析方法，并能在汽车结构的实际设计中加以应用。 本书适合整车企业、汽车零部件企业、第三方检验机构的工程人员和高校汽车专业师生阅读参考。

　　黄力平1982年获得北京工业大学工学学士学位，1984年获得清华大学工学硕士学位，1994年获得美国加州理工学院应用力学博士学位。曾在北京航空航天大学任教。1994年就职于美国福特汽车公司。2009年加盟美国特斯拉汽车公司。2014年、2017年先后任职于北京汽车股份有限公司和吉利汽车有限公司。长期从事汽车结构耐久性的分析与研究。早期曾研究汽车结构的动态疲劳仿真、解决了动态疲劳分析受计算机制约的问题，开发了福特汽车公司长期使用的汽车结构疲劳分析的专用计算机软件，推动了福特汽车公司在汽车的研发中广泛应用动态疲劳分析的方法。1997年获SAE颁发的享利？福特二世汽车工程杰出奖。

序
前言

上篇汽车结构耐久性能的基础理论和分析方法

第1章汽车结构的耐久性能概述3
11汽车设计中的结构耐久性能要求3
111汽车的耐久性能及其设计目标3
112汽车结构的耐久性能要求4
12汽车结构在正常使用情况下的主要失效5
121汽车在正常使用下的主要失效5
122结构的过度变形8
123零件的屈曲9
124零件的断裂10
125零件的磨损 12
126零件的腐蚀12
127老化13
128本书范畴13
13汽车结构耐久性能的设计要求14
131汽车产品耐久性能的总要求14
132汽车在静态下的结构耐久要求15
133汽车在运输状态下的结构耐久要求16
134汽车在行驶状态下的结构耐久要求16
135汽车在维修状态下的结构耐久要求16
14汽车结构的设计、分析与验证16
141汽车结构设计的过程16
142汽车设计中的工程分析17
143汽车结构设计的验证18
144汽车结构分析中的计算机辅助工程19

第2章金属材料和结构的基本力学性能21
21金属材料的失效形式和力学性能21
211金属材料的失效形式21
212金属材料的力学性能21
22无缺陷材料的静态力学性能22
221常温下材料单向静态拉伸时的力学行为22
222材料的变形24
223温度对材料力学性能的影响25
224常温下材料单向动态拉伸时的力学性能27
225多向复合应力状态下的材料强度理论27
23有缺陷材料的静态力学性能29
231材料的断裂韧度和单向裂纹问题30
232材料的裂纹对结构强度的影响31
233复合型裂纹问题32
24材料在交变载荷下的力学性能33
241无缺陷材料的疲劳强度33
242有缺陷材料的疲劳问题35
25结构的力学性能36
251结构的刚度36
252结构的强度38
253结构的振动特性39
254结构的稳定性40
26汽车结构耐久性能的力学要素40
参考文献42

第3章汽车结构耐久性能的计算机仿真分析43
31多体系统动力学43
311多体系统43
312汽车多体动力学模型46
313多刚体系统动力学方程47
314柔性多体动力学49
32有限元方法的基本原理 50
321汽车结构的有限元描述50
322弹性力学问题的有限元方法52
33非线性问题的有限元方法58
331材料非线性问题的有限元分析59
332几何非线性问题的有限元分析63
333接触问题的有限元分析65
34动力学问题的有限元方法67
341线性动力学问题68
342非线性动力学问题69
343非线性有限元的计算方法72
344虚拟试车场73
35热力学分析的基本原理86
351热传导方程86
352热传导方程的有限元方法解法87
353热应变90
354热应力91
36发动机相关性能仿真分析的简介 91
37汽车结构耐久的计算机仿真分析93
参考文献97

第4章长期载荷下结构位移的计算方法98
41结构的静态位移99
42结构的动态位移100
421直接积分法100
422模态分析法100
43结构对支座运动的响应105
431结构对单一支座同向平动运动的响应107
432结构对单一支座多向运动的响应108
433结构对多支座运动的响应109
参考文献110

第5章长期载荷下结构应力的计算方法111
51平面应力的基本公式111
52静态应力的计算113
521直接计算法114
522静态模态应力叠加法115
53准静态应力的计算（惯性释放分析法）123
54动态应力的计算（应力模态分析理论）125
541模态应力126
542强迫振动的瞬态应力响应解 130
543应力频率响应函数133
544共振时的应力134
545振动系统位移和应力响应的比较140
546模态截断的影响141
547模态截断后的剩余模态143
548动力学响应计算中的静态响应149
549汽车综合耐久试验仿真中的应力计算与分析151
参考文献164

第6章结构疲劳寿命的基础理论和计算方法165
61疲劳失效的概念165
62应力-寿命法166
621 应力-寿命曲线166
622应力-寿命的近似公式169
623平均应力对寿命的影响171
624其他影响疲劳寿命的因素175
625变幅应力下的疲劳寿命计算176
626多向应力下的疲劳寿命计算179
63应变-寿命法181
631应力-应变关系181
632应变-寿命曲线184
633平均应力对疲劳寿命的影响185
634不规则应力下的应力循环187
635多向应力下的疲劳寿命计算190
636塑性应力和应变的近似计算190
637应变-寿命法的实际应用191
64组合事件的应变疲劳寿命计算方法194
641临界平面的确定195
642平均应力修正197
643组合事件的疲劳寿命计算197
65频域振动疲劳寿命的理论201
651时域响应和频域响应201
652应力功率谱密度201
653频域疲劳寿命计算202
654应力响应功率谱密度的计算203
655频域方法的局限性204
66裂纹扩展205
67焊缝的疲劳分析207
671名义应力法208
672热点应力法209
673结构应力法 209
674缺口应力法216
68焊点的疲劳分析217
681焊点的一般特性217
682Rupp-Storzel-Grubisic方法219
683Kang-Dong-Hong方法221
684Swellam方法223
69热疲劳的分析224
691应力-应变关系225
692基于温度－时间参数的蠕变寿命估算方法227
693基于损伤力学的蠕变寿命计算方法229
694Sehitoglu损伤模型231
695发动机结构的疲劳分析232
参考文献235

第7章接触表面的磨损和腐蚀237
71磨损的基本概念237
72黏着磨损238
73磨料磨损238
74疲劳磨损239
741接触应力239
742接触疲劳破坏的应力准则242
743接触疲劳磨损的机理243
744接触疲劳的计算244
745接触疲劳与整体结构疲劳的差别244
75腐蚀磨损245
参考文献246

第8章结构屈曲（稳定性）的基础理论247
81结构屈曲的临界载荷248
811线性屈曲分析248
812临界载荷的非线性分析方法251
813几何不完美结构的临界载荷251
82后屈曲分析252
821非线性屈曲的计算方法252
822后屈曲的结构变形253
823瞬间翻转型屈曲(snapthrough buckling) 253
参考文献257

下篇汽车主要系统的结构耐久性能分析

第9章汽车结构耐久的载荷261
91汽车使用时的载荷261
911汽车正常使用时的载荷261
912汽车结构耐久的设计载荷265
92整车结构设计的路面载荷267
921路面工况的设计载荷267
922准静态设计载荷的类型270
923整车结构设计的典型工况271
924集中质量零部件的准静态设计载荷283
925时域的动态道路载荷284
926基于多体动力学的虚拟试车场287
927关于整车道路载荷的更多说明290
93发动机结构的设计载荷295
931装配载荷295
932机械载荷297
933热载荷308
94汽车发动机悬置的载荷312
941发动机悬置静态经验工况的载荷分解312
942发动机悬置的动态载荷分解313
参考文献313

第10章底盘结构的耐久分析315
101概述315
1011刚度分析315
1012强度分析316
1013疲劳分析317
102悬架类型简介320
1021麦弗逊式前悬架320
1022双横臂式前悬架320
1023扭力梁式后悬架320
1024多连杆后悬架321
103前悬架结构的耐久分析321
1031前转向节的结构耐久分析321
1032下控制臂的结构耐久分析324
1033前副车架的结构耐久分析327
1034上控制臂的结构耐久分析331
1035稳定杆的结构耐久分析332
104后悬架结构的耐久分析332
1041后转向节的结构耐久分析332
1042后副车架的结构耐久分析334
1043后悬架弹簧托臂的结构耐久分析336
1044二力杆控制臂的结构耐久分析337
1045扭力梁的结构耐久分析339
105动力悬置支架的结构耐久分析343

第11章车身本体结构的耐久分析347
111概述347
112车身本体结构的整体刚度348
1121车身弯曲刚度348
1122车身扭转刚度351
1123车身模态353
113车身局部结构的刚度353
1131洞口变形量353
1132前端、后端弯曲刚度 354
114安装点的刚度355
1141车身悬架安装点静刚度355
1142车身座椅安装点的刚度 356
1143车身发动机舱盖安装点刚度357
1144车身车门铰链和门锁安装点的刚度357
1145车身后背门安装点刚度358
1146踏板安装点刚度359
1147其他零部件安装点的刚度360
115准静态工况下白车身结构的静强度361
116车身局部强度362
1161车身减振器座的强度362
1162制动踏板安装点强度364
1163汽车举升点的结构强度365
1164拖钩安装点强度366
1165蓄电池安装点强度368
117车身结构的疲劳分析369
1171综合耐久试验载荷下的车身结构疲劳369
1172制动踏板安装点的疲劳376
118车身覆盖件的抗凹性377

第12章开闭件结构的耐久分析380
121概述380
122发动机舱盖的结构耐久分析381
1221发动机舱盖结构的刚度381
1222发动机舱盖结构的强度和疲劳384
123侧门的结构耐久分析385
1231侧门结构的刚度385
1232侧门结构的强度和疲劳387
124行李舱盖的结构耐久分析390
1241行李舱盖结构的刚度390
1242行李舱盖结构的强度和疲劳391
125后背门的结构耐久分析392
1251后背门结构的刚度392
1252后背门的强度和疲劳393

第13章发动机结构的耐久分析396
131概述396
132缸盖的结构耐久分析398
1321缸盖相关的失效形式398
1322缸盖的高周疲劳分析399
1323缸盖的低周疲劳分析404
1324缸垫的密封性分析405
1325气门和气门座的变形和错位410
133缸体的结构耐久分析414
1331缸体的失效模式414
1332缸体上部的高周疲劳分析417
1333缸体下部的高周疲劳分析417
1334缸体的磨蚀疲劳分析420
1335气缸孔变形421
1336曲轴孔的变形和错位425
134连杆的结构耐久分析428
1341连杆的失效模式428
1342连杆的危险工况430
1343连杆的强度分析431
1344连杆的屈曲分析434