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　高分子複合材料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　三维本构关係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套用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　铸造铝合金髮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　材料本构关係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　铸造铝合金髮动机缸体的应力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係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　历史跟蹤方法204

思考题205

参考文献206

中国的汽车产业发展迅速，已经成为我国国民经济的支柱产业之一。随着家庭平均汽车保有量的迅速增长，汽车给整个社会带来的能源、环境、交通和安全的压力日益加大。儘管汽车在轻量化、电动化、排放控制技术和安全技术方面已经有了长足的进步，尤其是近几年网际网路和通信技术在汽车的独立驾驶和智慧型化方向提供了极大的发展和创新的空间，但诸多的发展给汽车产业带来无限的挑战和机遇。因此，行业的快速变化亟需培养一大批不仅懂专业技术，更熟悉跨界知识的创新型人才。

重庆大学汽车协同创新中心认识到人才培养的迫切需求，组织我们为新成立的汽车学院编写一套教材。参与这套教材编写的所有作者都身在汽车行业的科研和技术开发的第一线，其中大部分作者是近年海归的年轻博士。教材的选题经过专家在传统学科和新兴学科中反覆地论证和研讨，遴选了汽车行业面临紧迫挑战性的技术和话题。第一批教材有八本，包括《汽车材料及轻量化趋势》《汽车设计的耐久性分析》《汽车动力总成现代技术》《汽车安全的仿真与最佳化设计》《汽车尾气排放处理技术》《汽车系统控制及其智慧型化》《中国汽车二氧化碳减排路径》和《汽车製造系统和质量控制》。

这套教材的一个共同特点就是与国际发展同步、内容新颖。编着者对于比较传统的学科，在编写过程中儘可能地把最新的技术和理念包括进去，比如在编写《汽车材料及轻量化趋势》的过程中，不仅介绍了各种轻量化材料的特点和动向，而且强调了轻量化材料的套用必须系统地考虑材料的性能、部件的加工方法和成本。有些选题针对汽车行业发展的新的技术动向，比如《汽车安全的仿真与最佳化设计》主要介绍汽车安全仿真的模型验证和最佳化，这是汽车产品开发採用电子认证的必经之路；而《汽车系统控制及其智慧型化》概括了汽车的主要系统及其控制，以及智慧型化技术在各个系统中的套用，这些都是汽车自动驾驶的基础。

这套教材的另一个突出的特点是实用，比如一般汽车设计要求非磨损件的寿命是24万公里。《汽车设计的耐久性分析》着重介绍了汽车行业用于耐久性分析的主要工具和方法，以及这些方法的理论基础。这是进行汽车整车和零部件寿命耐久性正向设计的基础。随着环境保护的法规日益严格，汽车排放控制技术也在不断发展提高。汽车动力技术已经形成化石燃料到其他燃料的多元化发展，《汽车尾气排放处理技术》和《中国汽车二氧化碳减排路径》介绍了排放控制技术的进程和法规实施的协调，以及达到法规要求的不同技术路线。汽车质量一直是热门话题，也是一个汽车企业长期生存的关键问题之一。《汽车製造系统和质量控制》介绍了现代汽车製造系统与质量控制的基本概念和实践。

本套丛书不仅对汽车专业的学生大有裨益，也可以作为汽车从业人员和所有对汽车技术感兴趣者的参考读物。由于时间有限，选题的範围还不全面。每本书的内容也会反映出作者的知识和经验的局限性。在此，真诚地希望广大读者提出意见，供我们不断修改和完善。

2016年8月5日

随着我国汽车工业的快速发展，先进的汽车设计理论和技术在车身开发中越来越受到重视。同时，汽车发展遇到了环保、能源、交通等各个方面的诸多问题，在这种新形势下，从业者掌握和熟练运用核心设计技术显得尤为重要。

汽车的设计与製造是一个非常複杂的系统工程，需要考虑零件、子系统、系统，乃至整车等各个层面，综合运用材料科学、能源科学、信息科学和製造科学的相关知识、理论和方法。本套“汽车工程专业系列丛书”涵盖了汽车製造系统和质量、汽车动力总成、汽车材料及轻量化、车身耐久性、汽车安全仿真与最佳化、汽车系统控制及其智慧型化、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。

本套丛书的作者既有在汽车相关领域工作多年、有丰富经验的专家，也有学成回国、已崭露头角的后起之秀；内容安排上既有适合初学者学习的大量基础理论知识，也融入了编着者在相关领域多年来的研究体会和经验，从中我们能充分体会到现代汽车技术节能、环保和智慧型化的发展趋势。丛书结合大量实例，取材丰富、图文并茂。

本套丛书可作为汽车设计的参考工具，也可作为车辆工程、机械工程、环境工程等专业研究生的专门教材及学习参考书。相信该书对于汽车行业相关领域的研究生、企业研发人员和科研工作者会产生重要的启发作用，特作序推荐。

上海交通大学

作为《中国製造2025》战略部署的主要支点之一，汽车业的持续、快速、健康发展将为中国製造业强国目标奠定坚实的基础。面对中国汽车产业大而不强的现状，自主品牌汽车产业的发展壮大时不我待。重庆自主品牌汽车协同创新中心，立足于重庆地区汽车产业，依託国家“2011计画”，以我国自主品牌汽车发展重大需求为牵引，以体制机制创新为手段，探索我国汽车自主品牌的发展模式。中心面向国内自主品牌汽车产业，重点开展培养高端人才，汇聚优秀团队，研发核心技术，推广产业套用，整合优势资源，搭建交流平台等工作。重庆自主品牌汽车协同创新中心瞄準“节能环保、安全可靠、智慧型舒适”的国际汽车三大发展趋势，凝练学科发展方向，汇聚创新资源和汽车及相关领域的优势学科群，建立了全面涵盖汽车行业研究领域的创新团队。本套丛书由汽车中心特别顾问、福特汽车亚太区技术总监韩维建博士积极推动。丛书主编韩维建博士基于数十年国际一流汽车工程经验以及独到全面的行业技术趋势把握，整合及组建了编着团队进行丛书各个书籍的编着。编着团队的成员主要由具有多年国际汽车公司工作经验，并且在高校及企业科研一线工作的归国人员组成。丛书内容拥有立足成熟技术、紧跟国际前沿、把握领域创新的特点及优势，丛书的成功出版将为国内汽车行业及学科提供全面而翔实的参考材料。

书籍是知识传播的介质，也是人才培养及创新意识传承的基础。正如重庆大学建校宣言“人类之文野，国家之理乱，悉以人才为其主要之因”所阐释的，本套丛书秉承重庆自主品牌汽车协同创新中心人才培养方针，主要面向高校汽车相关学科本科及研究生的教学，同时也可为汽车行业工程人员参考。相信本套丛书会对我国汽车领域学科及行业产生积极良好的推动作用。

江苏省产业技术研究院

汽车是现代人类工作、生活不可或缺的交通工具。作为一种长期承受负荷的产品，汽车整车及其零部件应当具有在较长时间内保持功能正常和良好状态的性能，即耐久性。汽车的耐久性是汽车设计中最关键的要素之一。汽车耐久性失效的根本原因是材料的弱化。材料的弱化可以来自机械载荷，例如汽车的自重和负载引起的结构疲劳以及相互运动零件的磨损，也可以来自热或化学载荷，例如油漆的老化或连线接头的腐蚀。耐久性分析的重点是描述材料的强度特性，记录材料承受的载荷历史，解析并预测材料的失效寿命，据此设计零部件，使其满足相关的设计寿命要求。

本书首先回顾了汽车耐久性分析所需的基础知识，包括材料与材料工艺基础、应力和应变、固体力学基础等方面的基本概念；接着介绍了汽车耐久性的基本失效模式，涵盖断裂与疲劳，蠕变、磨损和腐蚀等，并介绍了车辆的载荷与耐久性试验。车身结构的接头疲劳、发动机缸盖的热机械疲劳以及残留应力的作用是影响汽车耐久性的重要问题，也是作者的研究领域，这些都在本书做了重点讨论。本书最后介绍了两种非常流行的系统的耐久性设计工具，即失效模式与影响分析（FMEA）、鱼骨分析。

汽车的耐久性分析是一门工程学科，是综合性学科，涉及材料、力学、机械、物理和化学等许多领域。因此本书仅是一本基础入门图书。有需要进一步了解细节，并做有关设计的读者，可根据本书的介绍，对相关的学科做更细的研读。

在本书的写作过程中，作者尽最大努力将自己对汽车耐久性分析的理解和多年积累的经验融入文字，并结合工业实际，介绍了诸多分析实例。本书作为参考书，适合高校相关专业的学生和从事汽车耐久性分析与设计工作的工程师。由于时间仓促和作者的阅历有限，疏漏和不妥之处在所难免，欢迎读者提出批评和修改意见。

作者特别感谢黄诗尧、马秋、石燕栋、黄理、李文凯、孙显俊和陈秋任，他们提供了资料整理和文字校对方面的协助。

苏旭明

苏旭明

师从已故上海大学的钱伟长教授，获得套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、材料本构关係、断裂与疲劳等。最新的科研工作涵盖了轻量化金属、聚合物複合材料、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。