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高铁车体结构件应力分析与疲劳强度评估

摘要：2007年4月18日，我国的高铁开始正式投入使用，由于是刚刚开始进行

高铁的建设，因此在高铁运营过程中往往会出现各种各样的问题和缺陷。其中有

80%的机械零件都是因为疲劳破坏而失效的。高铁车体结构大部分都是采用金属

材料制作的，而金属不可能做无数次的交变载荷试验，都存在一个疲劳强度，一

旦所加的应力值超过金属材料的疲劳强度，就会导致金属变形，从而出现严重事

故。基于此，本文首先简单的介绍一下影响疲劳强度的因素；随后详细的介绍一

下计算疲劳强度的疲劳试验方法。以此仅供相关人士进行交流与参考。

关键词：高铁车体结构件；应力分析；疲劳强度评估

引言：

在这短短的十几年间，我国的高铁行业得到了突飞猛进的发展，装备生产、

运行管理等质量水平也在不断的进步和提高。而机械零件作为高铁车体结构的一

个重要组成部分，确实应该引起高铁部门的重视。本文首先介绍一下影响机械零

件疲劳强度的因素，随后介绍一下计算机械零件疲劳强度的疲劳试验方法，从而

准确的进行疲劳强度的评估，从而不断提高高铁结构件的质量。

一、影响高铁车体结构的疲劳强度因素

高铁车体结构件的疲劳强度评估研究一直都在进行，其中最初的评估方法就

是对零件疲劳极限进行测定。但由于实际零件在制作过程中尺寸、形状、材料等

都各有不同，因此通过测定零件疲劳极限来评估疲劳强度的试验方法在实施起来

具有很大的困难。以此，我们可以通过研究影响机械零件疲劳强度的因素来评估

机械零件的疲劳强度。影响机械零件疲劳强度的因素主要是应力集中与梯度；尺

寸效应以及表面加工质量这三点（见图一）。

（一）应力集中与梯度

为了满足高铁车体结构的要求，机械零件的制作和加工一般都有拐角、切口、

沟槽等缺口，这些缺口自然而言的就出现了应力集中，从而提高了零件的局部应

力。在零件部件承载静载荷时，随着静载荷的增加，零件会出现一个宏观塑性变

形的阶段，重新分配应力并趋于均匀。而对于疲劳破坏而言，零件并不会出现明

显的宏观塑性变形，也不会重新分配应力，因此缺口处的疲劳强度比光滑部位高，

出现问题的概率也比较大。缺口处的最大局部应力ɑmax和名义应力ɑn的比值为

理论应力集中系数K，K=ɑmax/ɑn。K可以用来表示应力集中提高零件局部应力作

用，也被称为形状系数，一般采用弹性力学解析方法或者是光测弹性力学试验来

求解[1]。

（二）尺寸效应

机械零件的尺寸对于疲劳强度的影响较大，尺寸效应指的就是当尺寸增大时，

疲劳强度就会降低。一般用尺寸系数ε来表示尺寸效应作用的大小。δ-1d为零件

的疲劳极限，δ-1为几何相似式样的疲劳强度，d为试样和零件的尺寸（一般在

6mm到7.5mm），所以ε=-δ1d/δ-1。引起尺寸效应的因素可以分为制作工艺因素

和比例因素。制作工艺因素主要是指机械零件在加工制造过程中因为制作差异出

现的尺寸变化[2]。而且铸造件的规模大小也会不同程度的增加铸造困难，一般体

积越大的铸造件铸造难度更高，也比较容易出现气孔、沙眼等缺陷，这些缺陷都

会成为零件的薄弱部分，从而降低零件的疲劳强度。

（三）表面加工质量

表面加工质量一般由表面粗糙度来衡量，金属种类的不同、加工方法的不同

都会对表面加工质量造成影响，像金属表面切削深度、切削用量等，都会对零件

部件的疲劳强度产生影响。根据相关研究证明，金属式样的疲劳强度随硬化程度

的增加而增加，而且应变硬化的式样都会产生残余的压应力，这种压应力会大大

提高零件的拉伸疲劳强度，进而降低零件的疲劳强度[3]。

（图一）影响高铁车体结构的疲劳强度因素

二、计算疲劳强度的疲劳试验方法

（一）常规疲劳试验方法介绍

在进行疲劳实验之前，首先要制备好疲劳式样，疲劳式样需要经过机械加工、

热处理以及尺寸测量、表面检验等步骤，保证疲劳式样能够达到疲劳试验的设备

要求标准。常规的疲劳试验方法主要用于式样个数不多、生产任务紧急的情况，

该方法可以直接给出零件式样的疲劳性能数据，从而判断零件的疲劳强度。另外，

在实验过程中，给定应力的大小要根据破坏循环次数来决定[4]。破坏循环次数越

少，给定应力应该越大，而长寿命区的试验一般都在低应力水平下进行。同时，

还应该给应力划分一定的层次水平，水平间隔随应力水平的高低适当改变，一般

高应力水平的间隔更大。

（二）成组试验法

常规疲劳试验方法只能够得到每一个应力下一个式样的S-