高速列車關(guān)鍵構(gòu)件服役可靠性是制約高速列車發(fā)展的核心因素之一，高速列車關(guān)鍵構(gòu)件材料疲勞壽命預(yù)測與性能優(yōu)化成為當下亟待解決的關(guān)鍵問題。然而，材料疲勞性能優(yōu)化大都停留在依靠“試錯”階段，不僅費時費力，而且難以確保優(yōu)化效果。盡管歐美等國已經(jīng)編寫了多種疲勞壽命預(yù)測軟件，但是國內(nèi)仍缺少同類商用軟件。同時，我國高速列車關(guān)鍵構(gòu)件服役安全評價缺少材料疲勞性能預(yù)測與優(yōu)化理論支撐，相關(guān)國際標準復(fù)雜，評價方法難以在企業(yè)快速普及，性能數(shù)據(jù)及相關(guān)參數(shù)源于國外材料及工藝條件下獲得，在我國出現(xiàn)“水土不服”的問題。

中國科學院金屬研究所張哲峰研究員帶領(lǐng)材料疲勞與斷裂研究團隊經(jīng)過十余年努力，發(fā)展了系列原創(chuàng)疲勞理論模型，為解決上述問題提供了關(guān)鍵理論支撐。近期，該團隊張鵬研究員、白鑫副研究員與中車長春軌道客車有限公司高速列車系統(tǒng)集成國家工程實驗室合作，針對高速列車轉(zhuǎn)向架等關(guān)鍵構(gòu)件材料，將這些原創(chuàng)理論模型與傳統(tǒng)理論相結(jié)合，聯(lián)合開發(fā)了“軌道客車常用材料和焊接結(jié)構(gòu)疲勞分析平臺”，近日已順利完成所有軟件調(diào)試與驗收工作。該平臺功能與國產(chǎn)高速列車材料及焊接結(jié)構(gòu)開發(fā)需求契合，得到中車長客的大力支持和高度認可。

該團隊劉睿博士、王斌博士、張振軍副研究員、龐建超副研究員及張鵬研究員，針對低周疲勞壽命、疲勞強度與疲勞裂紋擴展速率提出了系列疲勞性能預(yù)測與優(yōu)化理論模型，作為解決材料疲勞性能大都依靠“試錯”問題的關(guān)鍵理論，被首次集成于疲勞分析軟件中。低周疲勞壽命方面，提出了基于滯回能參數(shù)的低周疲勞壽命預(yù)測模型，建立起金屬材料低周疲勞壽命與微觀損傷機制之間的聯(lián)系，并且根據(jù)拉伸靜力韌度與加工硬化速率等重要參數(shù)，實現(xiàn)了低周疲勞壽命定量預(yù)測；疲勞強度方面，基于大量疲勞強度實驗結(jié)果和前人數(shù)據(jù)，提出了高周疲勞強度預(yù)測模型，通過引入合金成分、微觀組織及宏觀缺陷等參量，實現(xiàn)了金屬材料高周疲勞強度定量預(yù)測與優(yōu)化；疲勞裂紋擴展速率方面，通過大量疲勞裂紋擴展實驗與斷裂力學理論分析，在經(jīng)典Paris公式的基礎(chǔ)上，通過引入強度因子和韌性因子，提出了疲勞裂紋擴展速率預(yù)測模型，通過等疲勞裂紋擴展速率線圖解法快速預(yù)測和提高疲勞裂紋擴展壽命。此外，該平臺還集成了團隊成員提出的強度與硬度關(guān)系、斷裂韌性-強度關(guān)系、斷裂韌性尺寸效應(yīng)模型、等效疲勞壽命方法（EQ）及蒙特卡洛概率疲勞強度方法（MS），為簡化相關(guān)性能測試與分析提供了新的理論與方法。這些原創(chuàng)研究成果在Acta Mater.、Phys. Rev. B、J. Mater. Sci. Tech.、Mater. Sci. Eng. A、Int. J. Fatigue等期刊上發(fā)表SCI論文10余篇，申請授權(quán)專利10余項。該系列研究獲得國家自然科學基金重點項目(51331007)、汽車聯(lián)合基金項目(U1664253)、面上項目(51771208、51771205)、國家重點研發(fā)計劃(2017YFB0703002)及中科院先導(dǎo)專項項目(XDB22020202)的支持。

在疲勞理論創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，該團隊白鑫副研究員集成了國際商用疲勞壽命分析軟件方法，建立基于國產(chǎn)材料與焊接接頭的組織與性能數(shù)據(jù)庫，解決了國際主流商業(yè)疲勞分析軟件與國產(chǎn)材料/焊接接頭疲勞分析方法在平均應(yīng)力修正、結(jié)構(gòu)應(yīng)力修正、疲勞強度修正的方法及參數(shù)差異問題，并集成了相應(yīng)的經(jīng)典修正理論，最終建立了該軟件平臺的構(gòu)件壽命預(yù)測模塊。并且針對我國高速列車設(shè)計使用的焊接接頭及母材評價標準涉及較多、使用復(fù)雜、學習成本高等問題，在算法上集成了ISO 12107、Eurocode 3、Eurocode 9、BS 7608、BS 7910、DVS 1608、DVS 1612、IIW、prEN 17149、FKM等高速列車焊接接頭及母材常用標準，使設(shè)計人員可以直接調(diào)用相關(guān)標準的程序模塊進行計算，大大簡化了高速列車焊接接頭及母材評價流程，為高速列車關(guān)鍵構(gòu)件可靠性設(shè)計提供了便利。

該平臺目前已在中車長春軌道客車有限公司安裝運行，雙方將繼續(xù)進行深入和全面合作，針對傳統(tǒng)理論的不足，進一步完善該軟件平臺，使之更好地服務(wù)于高速列車關(guān)鍵構(gòu)件的服役性能評價。通過發(fā)展，該軟件平臺未來有望進一步向航空、船舶、機械制造等重要領(lǐng)域關(guān)鍵構(gòu)件推廣應(yīng)用。

軌道客車常用材料和焊接結(jié)構(gòu)疲勞分析平臺主要模塊與特色