第1章 概述

1.1 引言

高速列車在發展過程中，出現過多起嚴重威脅乘客生命安全和財產安全的事故^[1,2]。1998年，德國的ICE高速列車在行駛過程中發生了一起嚴重的脫軌事故，原因是高速列車車輪結構材料的疲勞損傷，導致突發性斷裂^[3]。2000年，從法國開往倫敦的歐洲之星TGV高速列車發生脫軌事故，原因是車體構架連桿斷裂并撞擊軌道^[2]。再如2005年，由于制動系統不良、車體結構強度降低等原因，日本JR福知山線高速列車發生脫軌事故，該事故造成106人死亡，500余人受傷的慘劇^[4]。伴隨我國高速列車“大提速”戰略的實施，高速列車關鍵結構部件疲勞、腐蝕開裂也時有發生。由我國自主研發生產的高速列車“先鋒號”和“中華之星”（運行速度均高于250km/h）在試運行過程中均出現過抗蛇行減振器座疲勞開裂和底架裙板斷裂等結構強度問題^[5]。這些實例都能夠證實結構材料的疲勞斷裂是引發高速列車運行事故的重要因素之一。

相關研究表明，由于疲勞斷裂引發的高速列車運行事故約占其總事故發生率的70%～80%^[6,7]。為了確保承載結構的安全可靠，在傳統結構疲勞壽命預測方法的基礎上，研究人員開始探索利用損傷容限設計評價技術和可靠性評估技術來估算高速列車車體各關鍵功能部件的力學性能和使用壽命。目前，已經形成了基于疲勞設計、斷裂力學方法、損傷力學方法等多種技術方法相結合的評估體系，以確保高速列車服役周期內的結構完整性和運行安全性^[8,9]。

大尺寸結構部件通常會含有一些不可避免的初始缺陷，如材料冶金缺陷、制造缺陷等，使用中也會因疲勞、腐蝕等原因產生裂紋。這些缺陷或裂紋在服役過程中可能會不斷擴展，從而導致結構的斷裂。在斷裂力學的工程應用中，應力強度因子是表征材料斷裂的重要參量，可以作為判斷裂紋是否進入失穩狀態的指標之一，故對裂紋尖端應力強度因子的計算是評估材料疲勞裂紋擴展行為的一項重要工作。為了保證高速列車結構部件在運行過程中的安全性和可靠性，分析含裂紋結構的疲勞裂紋擴展行為規律、計算裂紋的擴展速率和結構的斷裂強度、預測含裂紋結構的剩余服役壽命等工作的開展對于估算高速列車結構安全服役期限與經濟性檢修周期至關重要。而計算機技術的發展和有限元分析方法的普遍應用，為裂紋尖端復雜應力應變場的分析提供了有效的方法和工具。

目前，我國對高速列車領域的結構斷裂力學以及損傷容限技術的研究與應用還十分有限，尤其是針對高速列車車體關鍵功能部件斷裂力學的理論分析和試驗研究成果相對薄弱，基礎支撐模型和數據也相當缺乏，迫切需要結合工程實際開展系統性、綜合性的研究工作，積累相關技術方法以及實際應用經驗，為高速列車的安全可靠運行和經濟性檢修維護提供堅實的技術支撐。