第1章 概述

1.1 引言

高速列车在发展过程中，出现过多起严重威胁乘客生命安全和财产安全的事故^[1,2]。1998年，德国的ICE高速列车在行驶过程中发生了一起严重的脱轨事故，原因是高速列车车轮结构材料的疲劳损伤，导致突发性断裂^[3]。2000年，从法国开往伦敦的欧洲之星TGV高速列车发生脱轨事故，原因是车体构架连杆断裂并撞击轨道^[2]。再如2005年，由于制动系统不良、车体结构强度降低等原因，日本JR福知山线高速列车发生脱轨事故，该事故造成106人死亡，500余人受伤的惨剧^[4]。伴随我国高速列车“大提速”战略的实施，高速列车关键结构部件疲劳、腐蚀开裂也时有发生。由我国自主研发生产的高速列车“先锋号”和“中华之星”（运行速度均高于250km/h）在试运行过程中均出现过抗蛇行减振器座疲劳开裂和底架裙板断裂等结构强度问题^[5]。这些实例都能够证实结构材料的疲劳断裂是引发高速列车运行事故的重要因素之一。

相关研究表明，由于疲劳断裂引发的高速列车运行事故约占其总事故发生率的70%～80%^[6,7]。为了确保承载结构的安全可靠，在传统结构疲劳寿命预测方法的基础上，研究人员开始探索利用损伤容限设计评价技术和可靠性评估技术来估算高速列车车体各关键功能部件的力学性能和使用寿命。目前，已经形成了基于疲劳设计、断裂力学方法、损伤力学方法等多种技术方法相结合的评估体系，以确保高速列车服役周期内的结构完整性和运行安全性^[8,9]。

大尺寸结构部件通常会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，使用中也会因疲劳、腐蚀等原因产生裂纹。这些缺陷或裂纹在服役过程中可能会不断扩展，从而导致结构的断裂。在断裂力学的工程应用中，应力强度因子是表征材料断裂的重要参量，可以作为判断裂纹是否进入失稳状态的指标之一，故对裂纹尖端应力强度因子的计算是评估材料疲劳裂纹扩展行为的一项重要工作。为了保证高速列车结构部件在运行过程中的安全性和可靠性，分析含裂纹结构的疲劳裂纹扩展行为规律、计算裂纹的扩展速率和结构的断裂强度、预测含裂纹结构的剩余服役寿命等工作的开展对于估算高速列车结构安全服役期限与经济性检修周期至关重要。而计算机技术的发展和有限元分析方法的普遍应用，为裂纹尖端复杂应力应变场的分析提供了有效的方法和工具。

目前，我国对高速列车领域的结构断裂力学以及损伤容限技术的研究与应用还十分有限，尤其是针对高速列车车体关键功能部件断裂力学的理论分析和试验研究成果相对薄弱，基础支撑模型和数据也相当缺乏，迫切需要结合工程实际开展系统性、综合性的研究工作，积累相关技术方法以及实际应用经验，为高速列车的安全可靠运行和经济性检修维护提供坚实的技术支撑。