前言

隨著我國高速列車產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，高速列車的服役安全問題日漸受到廣泛關(guān)注。端部底架是高速列車主要承載結(jié)構(gòu)之一，它會在服役過程中因循環(huán)載荷及復(fù)雜環(huán)境的交互作用而產(chǎn)生損傷，并導(dǎo)致裂紋的萌生與擴(kuò)展，降低結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度和使用壽命。如何采用與現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)損傷容限設(shè)計和評估理念相容的方法對高速列車結(jié)構(gòu)材料的疲勞損傷過程進(jìn)行監(jiān)管，并開展關(guān)鍵功能部件斷裂力學(xué)性能的可靠性分析研究，是高速列車服役安全的重要課題。

本書從工程應(yīng)用的角度出發(fā)，探索高速列車結(jié)構(gòu)材料的疲勞裂紋擴(kuò)展行為。本書針對高速列車端部底架關(guān)鍵功能部件的鋁合金材料進(jìn)行斷裂力學(xué)性能測試與可靠性分析，重點(diǎn)圍繞服役經(jīng)歷對材料斷裂力學(xué)性能的影響、預(yù)循環(huán)應(yīng)力對材料斷裂力學(xué)性能產(chǎn)生的“鍛煉”效應(yīng)，以及材料疲勞裂紋擴(kuò)展行為的評估方法等開展系統(tǒng)研究，為高速列車的可靠性設(shè)計和安全性運(yùn)行提供基礎(chǔ)科學(xué)依據(jù)。

研究工作通過建立高速列車端部底架結(jié)構(gòu)三維模型，在保證有限元計算精度的前提下，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了合理簡化。根據(jù)實(shí)際情況確定載荷和邊界約束條件，通過有限元分析獲得底架結(jié)構(gòu)關(guān)鍵功能部件的應(yīng)力和位移分布狀態(tài)，將有限元分析結(jié)果與線路實(shí)測值進(jìn)行對比，驗(yàn)證其合理性，并以此作為服役材料斷裂力學(xué)性能評估研究的工程背景和設(shè)計依據(jù)。

通過對具有多年服役經(jīng)歷的高速列車端部底架關(guān)鍵功能部件材料進(jìn)行斷裂力學(xué)性能測試，分析服役材料的性能變化情況。鑒于穩(wěn)態(tài)裂紋擴(kuò)展階段疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dN與應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍ΔK的關(guān)系表現(xiàn)為折線形式，提出合理的分段擬合方法。研究近門檻值區(qū)域的疲勞裂紋擴(kuò)展行為，探討產(chǎn)生折線型da/dN-ΔK關(guān)系的原因。通過對斷口形貌進(jìn)行觀測，探究服役材料性能變化的微觀機(jī)理，從而全面評估服役經(jīng)歷對高速列車結(jié)構(gòu)材料斷裂力學(xué)性能的影響。

鑒于服役材料穩(wěn)態(tài)裂紋擴(kuò)展階段da/dN-ΔK關(guān)系的折線特征，針對高速列車結(jié)構(gòu)材料開展不同水平預(yù)循環(huán)應(yīng)力作用下的拉伸試驗(yàn)和斷裂力學(xué)試驗(yàn)研究，分析施加預(yù)循環(huán)應(yīng)力對材料各項(xiàng)力學(xué)性能的影響以及材料產(chǎn)生“鍛煉”效應(yīng)的原因。根據(jù)預(yù)循環(huán)應(yīng)力作用后材料的疲勞裂紋擴(kuò)展行為，提出合理的壽命預(yù)測模型，并與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比、驗(yàn)證。最后，定量分析了材料微觀組織中微觀缺陷和形貌特征在經(jīng)歷預(yù)循環(huán)應(yīng)力作用后的變化規(guī)律，探索提高高速列車結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度和使用壽命的途徑。

介紹工程中廣泛應(yīng)用的規(guī)定置信度、可靠度的p-da/dN-ΔK關(guān)系曲線擬合方法，并分析其存在的不合理之處。通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)分散性的分布規(guī)律進(jìn)行研究，提出兩種能夠真實(shí)呈現(xiàn)疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律的概率疲勞裂紋擴(kuò)展速率統(tǒng)計分析方法。

應(yīng)用有限元法建立三維應(yīng)力強(qiáng)度因子計算模型，并采用相互作用積分法計算獲得裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子沿厚度方向的分布。通過與試驗(yàn)數(shù)據(jù)和解析法求解結(jié)果進(jìn)行對比，證明提出的三維計算模型能夠?qū)哂泻穸瘸叽缧?yīng)的裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子求解結(jié)果起到修正作用，從而為準(zhǔn)確評估材料的疲勞裂紋擴(kuò)展行為提供解決方法。

著者