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(cè)與性能優(yōu)化成為當(dāng)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(cuò)”階段，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)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(cè)軟件，但是國內(nèi)仍缺少同類商用軟件。同時(shí)，我國高速列車關(guān)鍵構(gòu)件服役安全評(píng)價(jià)缺少材料疲勞性能預(yù)測(cè)與優(yōu)化理論支撐，相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)復(fù)雜，評(píng)價(jià)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(xué)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(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)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(shí)驗(yàn)室合作，針對(duì)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(tái)”，近日已順利完成所有軟件調(diào)試與驗(yàn)收工作。該平臺(tái)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(rèn)可。

該團(tuán)隊(duì)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(duì)低周疲勞壽命、疲勞強(qiáng)度與疲勞裂紋擴(kuò)展速率提出了系列疲勞性能預(yù)測(cè)與優(yōu)化理論模型，作為解決材料疲勞性能大都依靠“試錯(cuò)”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(cè)模型，建立起金屬材料低周疲勞壽命與微觀損傷機(jī)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(shí)現(xiàn)了低周疲勞壽命定量預(yù)測(cè)；疲勞強(qiáng)度方面，基于大量疲勞強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果和前人數(shù)據(jù)，提出了高周疲勞強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型，通過引入合金成分、微觀組織及宏觀缺陷等參量，實(shí)現(xiàn)了金屬材料高周疲勞強(qiáng)度定量預(yù)測(cè)與優(yōu)化；疲勞裂紋擴(kuò)展速率方面，通過大量疲勞裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)與斷裂力學(xué)理論分析，在經(jīng)典Paris公式的基礎(chǔ)上，通過引入強(qiáng)度因子和韌性因子，提出了疲勞裂紋擴(kuò)展速率預(yù)測(cè)模型，通過等疲勞裂紋擴(kuò)展速率線圖解法快速預(yù)測(cè)和提高疲勞裂紋擴(kuò)展壽命。此外，該平臺(tái)還集成了團(tuán)隊(duì)成員提出的強(qiáng)度與硬度關(guān)系、斷裂韌性-強(qiáng)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(qiáng)度方法（MS），為簡(jiǎn)化相關(guān)性能測(cè)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(qǐng)授權(quán)專利10余項(xiàng)。該系列研究獲得國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（51331007）、汽車聯(lián)合基金項(xiàng)目（U1664253）、面上項(xiàng)目（51771208、51771205）、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFB0703002）及中科院先導(dǎo)專項(xiàng)項(xiàng)目（XDB22020202）的支持。

在疲勞理論創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)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(qiáng)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(tái)的構(gòu)件壽命預(yù)測(cè)模塊。并且針對(duì)我國高速列車設(shè)計(jì)使用的焊接接頭及母材評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)涉及較多、使用復(fù)雜、學(xué)習(xí)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(biāo)準(zhǔn)，使設(shè)計(jì)人員可以直接調(diào)用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的程序模塊進(jìn)行計(jì)算，大大簡(jiǎn)化了高速列車焊接接頭及母材評(píng)價(jià)流程，為高速列車關(guān)鍵構(gòu)件可靠性設(shè)計(jì)提供了便利。

該平臺(tái)目前已在中車長春軌道客車有限公司安裝運(yùn)行，雙方將繼續(xù)進(jìn)行深入和全面合作，針對(duì)傳統(tǒng)理論的不足，進(jìn)一步完善該軟件平臺(tái)，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(píng)價(jià)。通過發(fā)展，該軟件平臺(tái)未來有望進(jìn)一步向航空、船舶、機(jī)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(tái)主要模塊與特色