汽车技术创新与研发系列丛书汽车结构的耐久性.理论与实践

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