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關鍵功能部件斷裂力學的理論分析和試驗研究相對薄弱，迫切需要結合工程實際開展系統性、綜合性研究工作，為高速列車的安全可靠運行和經濟性檢修維護提供技術支撐。

本書從工程應用角度出發，通過開展對高速列車結構材料的疲勞裂紋擴展行為的研究，剖析了服役經歷對材料斷裂力學性能的影響，探索了材料強度和使用壽命的作用規律，並提出了更為客觀、合理地描述試驗資料分散性分佈規律的概率疲勞裂紋擴展速率統計分析方法。

本書的相關研究成果將為高速列車設計、製造領域的研究人員和生產製造人員提供技術參考，為政府在該領域的決策提供基礎科學依據。

前言
第1章概述
1.1引言
1.2研究現狀及其工程背景
1.2.1疲勞裂紋擴展與斷裂力學方法
1.2.2高速列車關鍵結構部件的服役安全問題
1.2.3金屬材料的低載“鍛煉”效應
1.2.4疲勞裂紋擴展的概率模型
1.3主要內容

第2章高速列車端部底架結構功能部件應力有限元分析
2.1引言
2.2底架結構簡介
2.3底架結構有限元模型的建立
2.3.1有限元建模的基本原則
2.3.2三維結構幾何模型的建立
2.3.3有限元模型的建立
2.4底架結構靜力學計算分析
2.4.1理論計算載荷
2.4.2約束條件
2.4.3有限元模擬結果分析
2.4.4模擬結果驗證
2.5本章小結

第3章服役經歷對高速列車底架結構材料斷裂力學性能的影響
3.1引言
3.2試驗材料
3.3試驗方法
3.3.1疲勞裂紋擴展門檻值試驗
3.3.2平面應變斷裂韌度試驗
3.3.3疲勞裂紋擴展試驗
3.3.4衝擊韌度試驗
3.3.5資料分析及處理方法
3.4試驗結果與分析
3.4.1斷裂力學性能參數測試結果分析
3.4.2穩態裂紋擴展階段疲勞裂紋擴展行為特性
3.4.3近門檻值區域疲勞裂紋擴展行為
3.5斷口形貌分析
3.5.1斷口分析的意義
3.5.2斷口分析的方法
3.5.3服役材料的斷口形貌
3.6本章小結

第4章預迴圈應力對高速列車結構材料疲勞斷裂性能的影響
4.1引言
4.2試驗材料
4.3試驗方案設計及試驗方法
4.3.1疲勞極限試驗
4.3.2基於預迴圈應力的試驗方案設計
4.3.3拉伸試驗
4.3.4斷裂力學試驗
4.4試驗結果與分析
4.4.1預迴圈應力對材料疲勞斷裂性能參數的影響
4.4.2預迴圈應力對材料疲勞裂紋擴展行為的影響
4.4.3預迴圈應力對材料疲勞裂紋擴展壽命的影響
4.5斷口形貌分析
4.5.1疲勞裂紋源區的斷口形貌
4.5.2穩定擴展區的斷口形貌
4.5.3瞬斷區的斷口形貌
4.6本章小結

第5章概率疲勞裂紋擴展速率統計分析方法
5.1引言
5.2試驗案例
5.3中值疲勞裂紋擴展速率曲線的擬合方法
5.4規定置信度、可靠度的疲勞裂紋擴展速率及其運算式
5.5概率分佈特徵的統計分析方法
5.5.1傳統統計分析方法
5.5.2基於高斯分佈的統計分析方法
5.5.3基於擬合曲線等效轉換的統計分析方法
5.5.4統計分析方法的比較與討論
5.6本章小結

第6章基於厚度尺寸效應的三維應力強度因數修正方法
6.1引言
6.2試驗案例
6.3三維應力強度因數有限元分析
6.3.1應力強度因數的求解方法
6.3.2三維有限元模型的建立
6.4三維應力強度因數的厚度尺寸效應
6.4.1應力強度因數計算結果的對比與分析
6.4.2三維應力強度因數的修正作用
6.4.3厚度尺寸效應對應力強度因數的影響
6.5本章小結

第7章結論與展望
7.1工作總結
7.2研究展望

隨著我國高速列車產業的不斷發展，高速列車的服役安全問題日漸受到廣泛關注。端部底架是高速列車主要承載結構之一，它會在服役過程中因迴圈載荷及複雜環境的交互作用而產生損傷，並導致裂紋的萌生與擴展，降低結構的剩餘強度和使用壽命。如何採用與現代工程結構損傷容限設計和評估理念相容的方法對高速列車結構材料的疲勞損傷過程進行監管，並開展關鍵功能部件斷裂力學性能的可靠性分析研究，是高速列車服役安全的重要課題。

本書從工程應用的角度出發，探索高速列車結構材料的疲勞裂紋擴展行為。本書針對高速列車端部底架關鍵功能部件的鋁合金材料進行斷裂力學性能測試與可靠性分析，重點圍繞服役經歷對材料斷裂力學性能的影響、預迴圈應力對材料斷裂力學性能產生的“鍛煉”效應，以及材料疲勞裂紋擴展行為的評估方法等開展系統研究，為高速列車的可靠性設計和安全性運行提供基礎科學依據。

研究工作通過建立高速列車端部底架結構三維模型，在保證有限元計算精度的前提下，對結構進行了合理簡化。根據實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構關鍵功能部件的應力和位移分佈狀態，將有限元分析結果與線路實測值進行對比，驗證其合理性，並以此作為服役材料斷裂力學性能評估研究的工程背景和設計依據。

通過對具有多年服役經歷的高速列車端部底架關鍵功能部件材料進行斷裂力學性能測試，分析服役材料的性能變化情況。鑒於穩態裂紋擴展階段疲勞裂紋擴展速率da/dN與應力強度因數範圍ΔK的關係表現為折線形式，提出合理的分段擬合方法。研究近門檻值區域的疲勞裂紋擴展行為，探討產生折線型da/dN-ΔK關係的原因。通過對斷口形貌進行觀測，探究服役材料性能變化的微觀機理，從而全面評估服役經歷對高速列車結構材料斷裂力學性能的影響。

鑒於服役材料穩態裂紋擴展階段da/dN-ΔK關係的折線特徵，針對高速列車結構材料開展不同水準預迴圈應力作用下的拉伸試驗和斷裂力學試驗研究，分析施加預迴圈應力對材料各項力學性能的影響以及材料產生“鍛煉”效應的原因。根據預迴圈應力作用後材料的疲勞裂紋擴展行為，提出合理的壽命預測模型，並與實測資料進行對比、驗證。最後，定量分析了材料微觀組織中微觀缺陷和形貌特徵在經歷預迴圈應力作用後的變化規律，探索提高高速列車結構材料強度和使用壽命的途徑。

介紹工程中廣泛應用的規定置信度、可靠度的p-da/dN-ΔK關係曲線擬合方法，並分析其存在的不合理之處。通過對試驗資料分散性的分佈規律進行研究，提出兩種能夠真實呈現疲勞裂紋擴展規律的概率疲勞裂紋擴展速率統計分析方法。

應用有限元法建立三維應力強度因數計算模型，並採用相互作用積分法計算獲得裂紋尖端應力強度因數沿厚度方向的分佈。通過與試驗資料和解析法求解結果進行對比，證明提出的三維計算模型能夠對具有厚度尺寸效應的裂紋尖端應力強度因數求解結果起到修正作用，從而為準確評估材料的疲勞裂紋擴展行為提供解決方法。

著者