第 1 章 绪论
1.1 研究背景及意义
近年来，我国高速列车事业快速发展，经历了辉煌且艰辛的阶段，取得了很多令世界瞩目的成就。截止 2019 年底，我国高铁运营总里程已达到 3.5 万公里，居世界首位，超过世界高铁运营总里程的三分之二，我国高铁时速覆盖 200 公里至 350 公里多个等级，试验时速已达到 605 公里，打破了世界纪录。高铁为人们的日常出行提供了极大的便利，在交通运输中承担着非常重要的任务，对我国经济的发展具有重要的推动作用。随着高铁运营里程的不断增加以及运行速度的不断提升，其运输安全问题成为了人们日益关注的焦点。运行中的任何一个环节出现问题，都会造成无法估量的严重后果。
车轴是转向架关键承载部件，它的性能与列车安全密不可分。任何一根车轴的断裂，往往都会造成列车颠覆、运输中断甚至车毁人亡的恶性事故。一般来说车轴是基于材料的耐久极限或疲劳极限的无限寿命设计，即使如此，并不能保证车轴结构在整个使用寿命期的安全，通过对三万多根裂纹车轴寿命进行统计，得到我国车轴使用寿命分布曲线如图 1-1 所示。其中，有三分之二的轮轴故障是由于疲劳损伤引起的[1]。图 1-2 是因疲劳造成的断裂车轴。自铁路运输发展以来，车轴断裂事故有所发生，所造成的人员伤亡及财产损失十分惨重，因此，为了防止车轴断裂事故的发生，研究车轴的疲劳性能对于车辆运行安全以及铁路事业有十分重要的意义[2]。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 车轴疲劳的国内外研究现状
在铁路车辆发展早期，由于其快速的投入运营和人们对车轴载荷以及疲劳失效等情况知之甚少，出现了大量的车轴断裂事故[3-4]。1842 年 5 月，在巴黎郊区凡尔赛附近发生驱动轴断裂事故，随后车辆出轨，造成重大生命损失。1884 年在英国谢菲尔德附近一辆时速 80 公里的火车驱动轴发生断裂，造成 24 人死亡。在 1878 年至 1892 年的 14 年间，英国铁路平均每年有 380 根车轴失效。这些由车轴断裂引起的列车出轨事故造成了重大人员伤亡和经济损失。最近几十年中，铁路的断轴事故也经常发生，自 1974 年至1993 年期间，我国每年有 3 至 4 根车轴发生断裂。2008 年 10 月，德国高铁在 8 根车轴上发现裂纹，一根车轴断裂，给铁路客运环境造成了恶劣的影响。由于车轴在铁道运输安全中的重要地位，长期以来国内外学者从各种不同的方面对车轴疲劳失效问题进行了理论分析和试验研究。
在不同车轴材料的疲劳性能方面，Faustin V[5]从断裂力学的角度考虑短裂纹效应，将现代疲劳评估方法应用到高强度合金钢车轴的研究中，分析了高强度钢压制件的微动问题。开发了基于制动力学的轴压配件的微动分析，给出了车轴材料的 S-N 曲线，研究了其短裂纹扩展门槛值变化规律。
杨冰等[6-8]对 LZ50 车轴钢的疲劳短裂纹萌生和扩展行为进行了较多研究，在不同加载频率下对材料进行疲劳试验，对比两种加载频率下短裂纹的平均尺度、平均寿命分数等疲劳短裂纹行为，通过对比多种统计分析方法最终确定主导短裂纹尺度服从极大值分布，疲劳寿命分数以及有效短裂纹密度服从极小值分布；通过试验研究微动磨损及接触区摩擦化学行为对微动疲劳寿命的影响，其研究表明，微动过程中磨损与疲劳之间存在竞争关系，微动损伤区的摩擦化学行为加速了材料的磨损。
李亚波[9]对 S38C 车轴钢进行研究，对其试样进行强化处理后分别在旋转弯曲疲劳试验机以及超声振动疲劳试验机上进行试验，研究其疲劳性能，得到不同工况下 S38C车轴的疲劳强度极限。........................
第 2 章 LZ50 车轴钢力学试验
2.1 LZ50 车轴钢常规性能
2.1.1 化学成分
LZ50 车轴钢材料的主要元素为碳、硅、锰等，各个元素对材料的屈服强度、延伸率以及断面收缩率等性能有较大的影响，其中碳、硅、铬、锰、镍等元素含量增高会提高钢的屈服强度；碳、硅、铬元素含量的增高会导致 LZ50 车轴钢的延伸率降低，并且锰、镍含量增高会提高钢的延伸率；其断面收缩率会随着碳含量的增高而降低，随着硅、铬、锰、镍含量的增高而提高。考虑到元素对材料性能的影响，对材料的化学成分进行测定十分重要。在试验中，采用光谱分析法，使用真空直读光谱仪设备对材料的化学性能进行检测，其化学成分检测结果如表 2-1 所示：
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2.2 LZ50 车轴钢应力应变曲线及微观材料参数拟合
对车轴材料以不同应变速率进行拉伸试验，获得材料的应力-应变曲线如图 2-3 所示。
为了拟合 LZ50 车轴钢的微观参数，对材料进行 EBSD 分析，如图 2-4 所示，其中黄色部分为铁素体，红色部分为珠光体。结果可以准确看出，材料主要成分为铁素体，仅有一小部分为珠光体，且铁素体的强度比珠光体强度低，所以在本文中，对车轴材料的疲劳寿命进行预测时，对铁素体成分进行建模研究可以使计算结果更加保守。
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第 3 章 晶体塑性有限元理论基础............................... 17
3.1 晶体学基础........................................ 17
3.1.1 晶格类型.................................17
3.1.2 滑移系.................................. 17
第 4 章 LZ50 车轴钢材料的疲劳寿命预测微观方法计算......................... 25
4.1 晶体塑性有限元建模分析.................................... 25
4.1.1 晶体塑性有限元建模...............................25
4.1.2 晶粒数目对材料性能的影响............................... 27
第 5 章 LZ50 车轴钢材料的疲劳寿命预测宏观方法计算......................... 39
5.1 传统疲劳寿命预测方法.......................................... 39
5.1.1 名义应力法...............................39
5.1.2 局部应力-应变法................................39
第 5 章 LZ50 车轴钢材料的疲劳寿命预测宏观方法计算
5.1 传统疲劳寿命预测方法
5.1.1 名义应力法
最早出现的材料寿命评估方法是名义应力法，在材料高周疲劳寿命预测方面应用广泛，名义应力法以应力集中系数和应力为材料参数，表示的是名义应力或应力幅与失效循环次数之间的关系。其原理十分简单，基于材料的 S-N 曲线，便可进行材料寿命的预测。在实际应用中，通过试验测得材料的 S-N 曲线，考虑材料中危险点的应力集中系数、尺寸系数以及表面系数等因素进行 S-N 曲线的修正，得到较为符合实际工况下结构的S-N 曲线，再结合材料中危险点处的名义应力对结构进行寿命评估。当应力较为复杂时，名义应力法需要与 Miner 累积损伤准则进行结合，计算出材料的实际损伤后方可计算材料的疲劳寿命。名义应力法较为成熟，操作简单。但名义应力法仅适用于应力水平较低情况下材料高周疲劳寿命的估计，这是因为其危险点需要在弹性范围内，一旦应力水平较高材料危险点会发生屈服，此时计算材料寿命便会产生较大误差。所以使用名义应力法进行材料寿命评估时无法考虑塑性变形，且名义应力法预测寿命时，不受残余应力以及载荷加载顺序的影响，有一定的局限性。
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结论
高速列车车轴作为转向架的关键承载部件，对于列车运行安全有十分重要的意义，车轴的断裂会造成列车颠覆、运输中断甚至车毁人亡的恶性事故。疲劳损伤是导致轮轴事故的主要原因。所以在本文中，对常用的列车车轴材料 LZ50 钢的性能进行分析，分别使用材料学领域常用的晶体塑性有限元法及传统宏观疲劳寿命预测方法。通过本文的计算，可得到以下主要结论：
（1）对 LZ50 车轴钢材料进行试验研究，检测材料的化学性能以及常规性能；通过材料拉伸试验，得到材料的抗拉强度为 753MPa，屈服强度为 428MPa。得到材料的应力应变曲线，并通过该曲线来确定进行晶体塑性有限元模型仿真所需的各个材料微观参数；进行 LZ50 车轴钢材料疲劳试验，通过升降法研究车轴的疲劳性能，得到车轴试样的疲劳极限为 283.9MPa。
（2）使用微观方法预测 LZ50 车轴钢材料的疲劳寿命；建立晶体塑性有限元微观模型，通过用户材料子程序（UMAT）对模型进行计算。为了对比研究不同建模方式对材料性能的影响建立相同体积，分别含 50 个晶粒、100 个晶粒以及 200 个晶粒的几何模型，并按照自由网格和规则网格两种划分方式进行网格划分。可以看出本文所建立的晶体塑性有限元模型可以反应材料的细晶强化效应。通过对比几个模型的计算结果，得到晶粒数目为 200 按照规则网格划分的模型拉伸性能与试验得到的材料应力-应变曲线最为接近。
（3）将材料学领域较为常用的材料性能预测方法用于 LZ50 车轴钢的研究上，并通过能量法进行材料寿命计算。通过试验与仿真结合的方法，通过试验所得的 LZ50 车轴钢在应力水平为 300MPa 时的循环次数，以及断裂试样的滑移带观测数据；通过微观模型仿真得到在应力水平为 300MPa 时材料的剪切应变分量和剪切应力分量值，计算得到材料的塑性应变能量密度为 8.876，并进一步计算得到 LZ50 车轴钢材料裂纹萌生时的能量转换率为 0.000197。通过所得结果预测应力水平为 350MPa 时，材料的寿命为 478691次。
（4）使用传统宏观疲劳预测方法，对车轴宏观寿命进行预测。使用 ABAQUS 软件建立宏观车轴有限元模型，按照车轴受力情况施加载荷及边界条件后进行计算。发现车轴轮轴接触内侧的过度圆弧区应力最大，并将计算结果文件导入到 Fe-safe 软件中进行寿命预测。在应力水平为 350MPa 时，材料的寿命为 495345 次。断裂发生位置即为应力最大区。
（5）通过对两种寿命预测方法所得结果进行对比，可以看出结果较为相近，但有细微差别，说明该计算结果较为可信。微观寿命预测方法所得结果较宏观寿命预测方法所得的结果大 3%。
参考文献（略）