第1章 概述

1.1 引言

高速列車在發(fā)展過程中，出現(xiàn)過多起嚴(yán)重威脅乘客生命安全和財產(chǎn)安全的事故^[1,2]。1998年，德國的ICE高速列車在行駛過程中發(fā)生了一起嚴(yán)重的脫軌事故，原因是高速列車車輪結(jié)構(gòu)材料的疲勞損傷，導(dǎo)致突發(fā)性斷裂^[3]。2000年，從法國開往倫敦的歐洲之星TGV高速列車發(fā)生脫軌事故，原因是車體構(gòu)架連桿斷裂并撞擊軌道^[2]。再如2005年，由于制動系統(tǒng)不良、車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低等原因，日本JR福知山線高速列車發(fā)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(zhàn)略的實施，高速列車關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件疲勞、腐蝕開裂也時有發(fā)生。由我國自主研發(fā)生產(chǎn)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(xiàn)過抗蛇行減振器座疲勞開裂和底架裙板斷裂等結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題^[5]。這些實例都能夠證實結(jié)構(gòu)材料的疲勞斷裂是引發(fā)高速列車運行事故的重要因素之一。

相關(guān)研究表明，由于疲勞斷裂引發(fā)的高速列車運行事故約占其總事故發(fā)生率的70%～80%^[6,7]。為了確保承載結(jié)構(gòu)的安全可靠，在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測方法的基礎(chǔ)上，研究人員開始探索利用損傷容限設(shè)計評價技術(shù)和可靠性評估技術(shù)來估算高速列車車體各關(guān)鍵功能部件的力學(xué)性能和使用壽命。目前，已經(jīng)形成了基于疲勞設(shè)計、斷裂力學(xué)方法、損傷力學(xué)方法等多種技術(shù)方法相結(jié)合的評估體系，以確保高速列車服役周期內(nèi)的結(jié)構(gòu)完整性和運行安全性^[8,9]。

大尺寸結(jié)構(gòu)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(chǎn)生裂紋。這些缺陷或裂紋在服役過程中可能會不斷擴(kuò)展，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的斷裂。在斷裂力學(xué)的工程應(yīng)用中，應(yīng)力強(qiáng)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(jìn)入失穩(wěn)狀態(tài)的指標(biāo)之一，故對裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的計算是評估材料疲勞裂紋擴(kuò)展行為的一項重要工作。為了保證高速列車結(jié)構(gòu)部件在運行過程中的安全性和可靠性，分析含裂紋結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋擴(kuò)展行為規(guī)律、計算裂紋的擴(kuò)展速率和結(jié)構(gòu)的斷裂強(qiáng)度、預(yù)測含裂紋結(jié)構(gòu)的剩余服役壽命等工作的開展對于估算高速列車結(jié)構(gòu)安全服役期限與經(jīng)濟(jì)性檢修周期至關(guān)重要。而計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和有限元分析方法的普遍應(yīng)用，為裂紋尖端復(fù)雜應(yīng)力應(yīng)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(lǐng)域的結(jié)構(gòu)斷裂力學(xué)以及損傷容限技術(shù)的研究與應(yīng)用還十分有限，尤其是針對高速列車車體關(guān)鍵功能部件斷裂力學(xué)的理論分析和試驗研究成果相對薄弱，基礎(chǔ)支撐模型和數(shù)據(jù)也相當(dāng)缺乏，迫切需要結(jié)合工程實際開展系統(tǒng)性、綜合性的研究工作，積累相關(guān)技術(shù)方法以及實際應(yīng)用經(jīng)驗，為高速列車的安全可靠運行和經(jīng)濟(jì)性檢修維護(hù)提供堅實的技術(shù)支撐。