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測與優(yōu)化理論支撐，相關(guān)國際標準復雜，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測模型，通過等疲勞裂紋擴展速率線圖解法快速預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力修正、結(jié)構(gòu)應力修正、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)件推廣應用。
圖1. 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
