高速列车结构材料的疲劳裂纹扩展行为

我国对高速列车领域的结构断裂力学以及损伤容限技术的研究与应用还十分有限，尤其是针对高速列车关键功能部件断裂力学的理论分析和试验研究相对薄弱，迫切需要结合工程实际开展系统性、综合性研究工作，为高速列车的安全可靠运行和经济性检修维护提供技术支撑。
本书从工程应用角度出发，通过开展对高速列车结构材料的疲劳裂纹扩展行为的研究，剖析了服役经历对材料断裂力学性能的影响，探索了材料强度和使用寿命的作用规律，并提出了更为客观、合理地描述试验数据分散性分布规律的概率疲劳裂纹扩展速率统计分析方法。
本书的相关研究成果将为高速列车设计、制造领域的研究人员和生产制造人员提供技术参考，为政府在该领域的决策提供基础科学依据。

前言
第1章概述
1.1引言
1.2研究现状及其工程背景
1.2.1疲劳裂纹扩展与断裂力学方法
1.2.2高速列车关键结构部件的服役安全问题
1.2.3金属材料的低载“锻炼”效应
1.2.4疲劳裂纹扩展的概率模型
1.3主要内容
第2章高速列车端部底架结构功能部件应力有限元分析
2.1引言
2.2底架结构简介
2.3底架结构有限元模型的建立
2.3.1有限元建模的基本原则
2.3.2三维结构几何模型的建立
2.3.3有限元模型的建立
2.4底架结构静力学计算分析
2.4.1理论计算载荷
2.4.2约束条件
2.4.3有限元仿真结果分析
2.4.4仿真结果验证
2.5本章小结
第3章服役经历对高速列车底架结构材料断裂力学性能的影响
3.1引言
3.2试验材料
3.3试验方法
3.3.1疲劳裂纹扩展门槛值试验
3.3.2平面应变断裂韧度试验
3.3.3疲劳裂纹扩展试验
3.3.4冲击韧度试验
3.3.5数据分析及处理方法
3.4试验结果与分析
3.4.1断裂力学性能参数测试结果分析
3.4.2稳态裂纹扩展阶段疲劳裂纹扩展行为特性
3.4.3近门槛值区域疲劳裂纹扩展行为
3.5断口形貌分析
3.5.1断口分析的意义
3.5.2断口分析的方法
3.5.3服役材料的断口形貌
3.6本章小结
第4章预循环应力对高速列车结构材料疲劳断裂性能的影响
4.1引言
4.2试验材料
4.3试验方案设计及试验方法
4.3.1疲劳极限试验
4.3.2基于预循环应力的试验方案设计
4.3.3拉伸试验
4.3.4断裂力学试验
4.4试验结果与分析
4.4.1预循环应力对材料疲劳断裂性能参数的影响
4.4.2预循环应力对材料疲劳裂纹扩展行为的影响
4.4.3预循环应力对材料疲劳裂纹扩展寿命的影响
4.5断口形貌分析
4.5.1疲劳裂纹源区的断口形貌
4.5.2稳定扩展区的断口形貌
4.5.3瞬断区的断口形貌
4.6本章小结
第5章概率疲劳裂纹扩展速率统计分析方法
5.1引言
5.2试验案例
5.3中值疲劳裂纹扩展速率曲线的拟合方法
5.4规定置信度、可靠度的疲劳裂纹扩展速率及其表达式
5.5概率分布特征的统计分析方法
5.5.1传统统计分析方法
5.5.2基于高斯分布的统计分析方法
5.5.3基于拟合曲线等效转换的统计分析方法
5.5.4统计分析方法的比较与讨论
5.6本章小结
第6章基于厚度尺寸效应的三维应力强度因子修正方法
6.1引言
6.2试验案例
6.3三维应力强度因子有限元分析
6.3.1应力强度因子的求解方法
6.3.2三维有限元模型的建立
6.4三维应力强度因子的厚度尺寸效应
6.4.1应力强度因子计算结果的对比与分析
6.4.2三维应力强度因子的修正作用
6.4.3厚度尺寸效应对应力强度因子的影响
6.5本章小结
第7章结论与展望
7.1工作总结
7.2研究展望

随着我国高速列车产业的不断发展，高速列车的服役安全问题日渐受到广泛关注。端部底架是高速列车主要承载结构之一，它会在服役过程中因循环载荷及复杂环境的交互作用而产生损伤，并导致裂纹的萌生与扩展，降低结构的剩余强度和使用寿命。如何采用与现代工程结构损伤容限设计和评估理念相容的方法对高速列车结构材料的疲劳损伤过程进行监管，并开展关键功能部件断裂力学性能的可靠性分析研究，是高速列车服役安全的重要课题。
本书从工程应用的角度出发，探索高速列车结构材料的疲劳裂纹扩展行为。本书针对高速列车端部底架关键功能部件的铝合金材料进行断裂力学性能测试与可靠性分析，重点围绕服役经历对材料断裂力学性能的影响、预循环应力对材料断裂力学性能产生的“锻炼”效应，以及材料疲劳裂纹扩展行为的评估方法等开展系统研究，为高速列车的可靠性设计和安全性运行提供基础科学依据。
研究工作通过建立高速列车端部底架结构三维模型，在保证有限元计算精度的前提下，对结构进行了合理简化。根据实际情况确定载荷和边界约束条件，通过有限元分析获得底架结构关键功能部件的应力和位移分布状态，将有限元分析结果与线路实测值进行对比，验证其合理性，并以此作为服役材料断裂力学性能评估研究的工程背景和设计依据。
通过对具有多年服役经历的高速列车端部底架关键功能部件材料进行断裂力学性能测试，分析服役材料的性能变化情况。鉴于稳态裂纹扩展阶段疲劳裂纹扩展速率da/dN与应力强度因子范围ΔK的关系表现为折线形式，提出合理的分段拟合方法。研究近门槛值区域的疲劳裂纹扩展行为，探讨产生折线型da/dN-ΔK关系的原因。通过对断口形貌进行观测，探究服役材料性能变化的微观机理，从而全面评估服役经历对高速列车结构材料断裂力学性能的影响。
鉴于服役材料稳态裂纹扩展阶段da/dN-ΔK关系的折线特征，针对高速列车结构材料开展不同水平预循环应力作用下的拉伸试验和断裂力学试验研究，分析施加预循环应力对材料各项力学性能的影响以及材料产生“锻炼”效应的原因。根据预循环应力作用后材料的疲劳裂纹扩展行为，提出合理的寿命预测模型，并与实测数据进行对比、验证。最后，定量分析了材料微观组织中微观缺陷和形貌特征在经历预循环应力作用后的变化规律，探索提高高速列车结构材料强度和使用寿命的途径。
介绍工程中广泛应用的规定置信度、可靠度的p-da/dN-ΔK关系曲线拟合方法，并分析其存在的不合理之处。通过对试验数据分散性的分布规律进行研究，提出两种能够真实呈现疲劳裂纹扩展规律的概率疲劳裂纹扩展速率统计分析方法。
应用有限元法建立三维应力强度因子计算模型，并采用相互作用积分法计算获得裂纹尖端应力强度因子沿厚度方向的分布。通过与试验数据和解析法求解结果进行对比，证明提出的三维计算模型能够对具有厚度尺寸效应的裂纹尖端应力强度因子求解结果起到修正作用，从而为准确评估材料的疲劳裂纹扩展行为提供解决方法。

著者