本書為德文第10版譯本，介紹了汽車與機(jī)械制造中輕量化設(shè)計的基礎(chǔ)知識，并特別注重實(shí)際應(yīng)用。本書采用了對操作技術(shù)和設(shè)計問題給予解答的編排方法，介紹了汽車與機(jī)械制造中輕量化設(shè)計的基礎(chǔ)知識。本書的目的是通過講述原理與進(jìn)行類比推理，幫助讀者針對所面臨的問題自己找到適當(dāng)?shù)慕鉀Q方法。本書附有大量練習(xí)題，特別適合讀者自學(xué)。本書所給出的眾多針對實(shí)際問題的指導(dǎo)可對工程師提供咨詢和幫助。
第10版前言
現(xiàn)代化的輕量化是開發(fā)和制造有競爭力的電動汽車以及經(jīng)濟(jì)高效加工裝備的前提。輕量化不僅需要具備創(chuàng)新性思維，更需要擁有廣泛的基礎(chǔ)知識。本書的讀者應(yīng)當(dāng)對輕量化感興趣，并愿意了解設(shè)計手段背后所隱含的理論知識。本書的最新版本對以往的內(nèi)容進(jìn)行了拓展，重新修改了某些章節(jié)，并且對練習(xí)部分加以補(bǔ)充。我希望，本書能對工程專業(yè)的學(xué)生與在職場中的實(shí)踐者有所幫助，他們也是本書的目標(biāo)讀者。以往的經(jīng)驗一再證明，“沒有理論指導(dǎo)的實(shí)踐”，其效果是有限的。
卡塞爾，2013年5月伯恩德-克萊恩
譯 者 序
輕量化是自然界萬物生長最重要的法則之一。在自然界中，輕量化的本質(zhì)是：“以最少的消耗，取得最大的功效”。
在科學(xué)與工程領(lǐng)域中，輕量化則是一門既傳統(tǒng)又常新的學(xué)科。按照本書的定義：“輕量化是一門跨多學(xué)科的工程科學(xué)，由材料力學(xué)、計算技術(shù)、材料學(xué)和制造技術(shù)等領(lǐng)域的知識基礎(chǔ)構(gòu)成。輕量化的目標(biāo)是在給定的邊界條件下，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)自重的最小化，同時滿足一定的壽命和可靠性要求。” 進(jìn)入現(xiàn)代社會，對于輕量化的要求則是不僅工藝上可實(shí)現(xiàn)、成本上可承受，而且還要發(fā)展上可持續(xù)。
如今，輕量化的主要應(yīng)用領(lǐng)域是交通運(yùn)輸工業(yè)。電動車是輕量化的直接受益者。輕量化構(gòu)造可以降低電動車的重量，提高電動車的行駛里程。對于傳統(tǒng)燃油驅(qū)動的汽車來說，輕量化帶來的好處也是顯而易見的，例如通過減重可以降低二氧化碳的排放。對于德國的汽車工業(yè)來說，輕量化的潛力將會在后續(xù)兩代車型中得到展示。在中期，輕量化在汽車工業(yè)中將會有根本性突破。新的輕量化概念會大幅提高產(chǎn)品的效率。此外，無論是對于鐵路航海，還是航空航天，輕量化都會使交通工具的燃油效率更高、耗材更少，因此也會更好地保護(hù)環(huán)境。預(yù)計到2020年，輕量化在德國交通工業(yè)領(lǐng)域的市場總值將超過1400億歐元。
在機(jī)械裝備制造領(lǐng)域，研發(fā)的重點(diǎn)雖然并不在于減重，而是如何在運(yùn)動構(gòu)件的剛性與性能（如強(qiáng)度或靈活性）之間加以取舍，但是針對這一矛盾，輕量化卻是最好的解決方法之一。例如，輕量化組件則可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械裝備更快的加工速度、更高的精度和更長的壽命；而輕量化機(jī)器人的動作更快更敏捷、精度更高。通過輕量化，機(jī)械裝備還可以采用更小更經(jīng)濟(jì)的驅(qū)動系統(tǒng)，從而提升產(chǎn)品的市場競爭力。預(yù)計到2020年，輕量化在德國電子工業(yè)和機(jī)械制造業(yè)領(lǐng)域的市場總值會達(dá)到400億歐元。另外，僅僅在機(jī)械制造領(lǐng)域，德國工業(yè)每年通過輕量化措施減少的二氧化碳排放量就相當(dāng)于德國一個大型城市一年的二氧化碳排放總量。
現(xiàn)代化的輕量化已經(jīng)不僅是材料替代那么簡單。根據(jù)德國巴登符騰堡州輕量化事業(yè)局的最新研究表明：輕量化未來的關(guān)鍵是多材料設(shè)計，即混合輕量化與概念輕量化。新的輕量化方法從一開始就要融入產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)方案設(shè)計中。在這一階段，最終產(chǎn)品70-80%的重量就已經(jīng)確定下來了。要做到這一點(diǎn)，僅通過采用輕量化材料是無法實(shí)現(xiàn)的。未來，輕量化轉(zhuǎn)化的重點(diǎn)在于概念輕量化與整個產(chǎn)業(yè)鏈的數(shù)字化，即輕量化與工業(yè)4.0的無縫結(jié)合。輕量化是如此重要，業(yè)已上升為德國的國家戰(zhàn)略。根據(jù)最新公開的德國執(zhí)政黨聯(lián)合行動合約表明，輕量化、工業(yè)4.0與電動出行一起成為德國國家的三大重點(diǎn)創(chuàng)新戰(zhàn)略。
從理論上說，對于任何一種材料、產(chǎn)品和工藝方法，在遵循輕量化原則的前提下，都會不斷地挖掘出其輕量化潛力，從而使其展現(xiàn)出新的生命力，這對于傳統(tǒng)的制造業(yè)尤其具有極大的吸引力。而對于從事輕量化的工程技術(shù)人員來說，要做到這一點(diǎn)，則需要在具有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)與技術(shù)功底的同時，還要不斷地學(xué)習(xí)吸收各種新的技術(shù)和知識并能創(chuàng)造性地加以應(yīng)用。
輕量化材料、輕量化設(shè)計與輕量化制造是輕量化學(xué)科的三大要素。其中，占據(jù)核心地位的是輕量化設(shè)計。原德國卡塞爾大學(xué)機(jī)械工程系輕量化設(shè)計專業(yè)克萊恩教授撰寫的德文版《輕量化設(shè)計-計算基礎(chǔ)與構(gòu)件結(jié)構(gòu)》從1988年的第一版到2013年的第十版歷經(jīng)十五年，已成為德國高校輕量化設(shè)計與技術(shù)專業(yè)的經(jīng)典教材。機(jī)械工業(yè)出版社于2010年出版的《輕量化設(shè)計》（中文第一版）譯自克萊恩教授原著德文第八版，而本次出版的《輕量化設(shè)計》（中文第二版）則譯自克萊恩教授退休之前修訂撰寫的第十版也是最后一版德文原著。本書的出版也是對原作者最好的致意。
“登高望遠(yuǎn)，學(xué)海無涯”。謹(jǐn)以此與讀者諸君共勉。
陳力禾
2016年6月6日，德國阿倫
譯者序
第10版前言
第1版前言
物理量符號表
第1章輕量化的目標(biāo)
第2章輕量化的問題結(jié)構(gòu)
2.1降低自重
2.2成本模型
2.3設(shè)計的邊界條件與使用條件
2.4輕量化的價值
第3章輕量化的方法和輔助工具
3.1設(shè)計技術(shù)
3.2計算方法
3.3測試技術(shù)
3.4試驗技術(shù)
第4章輕量化構(gòu)造
4.1差動構(gòu)造
4.2整體構(gòu)造
4.3集成構(gòu)造
4.4復(fù)合構(gòu)造
4.5實(shí)壁體與殼體
第5章材料選擇的準(zhǔn)則
5.1性能參數(shù)
5.2線彈性特征值
5.3非線彈性特征值
5.4載荷性能
5.5相關(guān)材料性能
5.5.1比容積
5.5.2比剛度
5.5.3穩(wěn)定性阻力
5.5.4斷裂長度
5.5.5材料評估
5.6品質(zhì)指數(shù)
5.7輕量化指數(shù)
5.8材料選擇的要點(diǎn)
第6章輕量化材料
6.1鋼 一
6.1.1改變特性
6.1.2種類 I
6.1.3物理力學(xué)性能
6.2鑄鐵材料
6.3鋁
6.3.1改變特性
6.3.2變形鋁合金
6.3.3鑄造鋁合金
6.3.4物理力學(xué)性能
6.3.5燒結(jié)鋁
6.3.6泡沫鋁
6.4鎂
6.4.1鎂合金
6.4.2物理力學(xué)性能
6.5鈦
6.5.1純鈦
6.5.2鈦合金
6.5.3物理力學(xué)性能
6.6塑料
6.7超輕合金
6.8纖維增強(qiáng)材料
6.8.1纖維塑料復(fù)合物
6.8.2纖維增強(qiáng)金屬
第7章輕量化設(shè)計原則
7.1結(jié)構(gòu)特征
7.2設(shè)計原則
第8章彈性理論基礎(chǔ)
8.1構(gòu)造單元
8.2幾何特征值
8.2.1面積慣性矩
8.2.2 Steiner定理
8.2.3組合型材的面積慣性矩
8.2.4轉(zhuǎn)換面積慣性矩
8.2.5主面積慣性矩
8.3彈性方程
8.3.1偏移與扭曲
8.3.2扭曲與應(yīng)力
8.3.3平衡
8.3.4平面彈性等式
8.4變形能
8.5桿形單元彈性定律
8.6面積單元彈性定律
8.6.1盤單元
8.6.2板單元
8.6.3殼單元
第9章薄壁型桿
9.1力流
9.2力流與內(nèi)力變量
9.3剪切力彎曲
9.3.1剪切力流分布
9.3.2剪切中心
9.3.3閉口對稱設(shè)計型材
9.3.4閉口不對稱型材
第10章型桿的扭轉(zhuǎn)
10.1基本關(guān)系
10.2實(shí)心橫截面與管橫截面
10.3閉口薄壁橫截面
10.4開口薄壁橫截面
10.5帶有腹板的空心橫截面
10.6橫截面的翹曲
10.7簡單型材的翹曲阻力
第11章開口型桿的彎曲
11.1廣義法向應(yīng)力問題
11.2任意橫截面的幾何特征值
第12章抗剪壁桁梁型材
12.1應(yīng)力載荷模型
12.2剪切力流導(dǎo)致的力和力矩
12.3抗剪壁桁梁型材的剪切中心
12.4組合式抗剪壁桁梁型材
第13章剪場設(shè)計
13.1剪場
13.2理想拉伸場
第14章加固箱型材
14.1 四弦桿模型
14.2扭轉(zhuǎn)應(yīng)力載荷
14.3開口
第15章能量原理與做功原理
15.1能量原理
15.2做功原理
15.3力學(xué)基本關(guān)系
第16章靜態(tài)不確定結(jié)構(gòu)
16.1外在不確定性
16.2內(nèi)在不確定性
16.2.1框架結(jié)構(gòu)
16.2.2平面桁架結(jié)構(gòu)
16.2.3空間桁架結(jié)構(gòu)
16.3用于靜態(tài)不確定結(jié)構(gòu)的彈性方程
16.4閉口框架
第17章三明治單元
17.1構(gòu)造原理
17.2材料性能
17.3均質(zhì)形芯
17.3.1基本載荷情形
17.3.2臨界應(yīng)力載荷
17.4部分撓曲方法
17.5桿壓彎
17.6結(jié)構(gòu)化形芯
17.6.1蜂窩形芯的抗剪強(qiáng)度
17.6.2管形芯
17.7不穩(wěn)定形狀
第18章桿與梁的穩(wěn)定性
18.1基本效應(yīng)
18.2型桿的壓彎
18.2.1歐拉彎曲壓彎情形
18.2.2雙對稱型桿與點(diǎn)對稱型桿的壓彎
18.2.3簡單對稱型桿的壓彎
18.2.4不對稱型材的壓彎
18.3彈塑性壓彎
18.4傾斜
第19章板材域和管的凸起
19.1凸起方程
19.2凸起方程的求解
19.3簡單凸起情形
19.4凸起情形對照
19.5管凸起
19.6加固盤
19.7型材的凸起
19.8卷邊
第20章加固性設(shè)計
20.1加固成形
20.2壓槽
20.2.1加固效果
20.2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計
20.3加強(qiáng)筋
20.4邊界加固
20.5翻孔
第21章力的導(dǎo)入
21.1加固盤
21.2常應(yīng)力的導(dǎo)人弦桿
第22章連接技術(shù)
22.1使用范圍
22.2鉚接
22.2.1出頭鉚釘鉚接
22.2.2埋頭鉚釘鉚接
22.2.3鉚連的切應(yīng)力與拉應(yīng)力疊加
22.3焊接
22.3.1點(diǎn)焊
22.3.2摩擦焊接
22.4粘接
22.4.1粘接材料
22.4.2基體材料
22.4.3載荷模型
22.4.4切應(yīng)力載荷下粘接連接中的應(yīng)力分布
22.4.5不同求解表達(dá)式的對比
22.4.6法向應(yīng)力影響估計
22.4.7用于粘接連接的設(shè)計規(guī)則
22.4.8粘接連接的抗振強(qiáng)度
22.5特殊連接方法
第23章結(jié)構(gòu)優(yōu)化
23.1數(shù)學(xué)優(yōu)化表達(dá)式
23.2結(jié)構(gòu)特征值的極值
23.3簡單最小化計算
23.3.1抗彎梁的重量最小化
23.3.2抗彎桿的重量最小化
23.4仿生學(xué)優(yōu)化
23.5切口形狀優(yōu)化
第24章振動應(yīng)力載荷結(jié)構(gòu)
24.1設(shè)計哲學(xué)
24.2計算驗證的難點(diǎn)
24.3應(yīng)力載荷變化過程評估
24.4失效行為
24.5機(jī)械做功損傷累積
24.6判斷準(zhǔn)確性的改進(jìn)
24.7殘余強(qiáng)度問題
24.8廣義裂紋生長問題
24.9斷裂力學(xué)累積
24. 10非線性損傷假定
第25章結(jié)構(gòu)可靠性
第26章結(jié)構(gòu)聲學(xué)
輕量化練習(xí)
參考文獻(xiàn)
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