Effect of inner and outer defect coupling on crack initiation of axle based on crystal plasticity theory

ZHOU Suxia; SHANG Hao; ZHANG Zhao

doi:10.16579/j.issn.1001.9669.2026.05.007

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Effect of inner and outer defect coupling on crack initiation of axle based on crystal plasticity theory

·Fatigue·Damage·Fracture·Failure Analysis· | 更新时间：2026-05-19

- Effect of inner and outer defect coupling on crack initiation of axle based on crystal plasticity theory
- Journal of Mechanical Strength Vol. 48, Issue 5, Pages: 58-65(2026)
- 作者机构：
  
  1.北京建筑大学机电与车辆工程学院，北京 100044
  2.北京建筑大学城市轨道交通车辆服役性能保障北京市重点实验室，北京 100044
  3.中国原子能科学研究院，北京 100044
- 作者简介：
  
  SHANG Hao, E-mail: 995454515@qq.com
- 基金信息：
  
  Beijing Natural Science Foundation Project(L211007)
- DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2026.05.007
  CLC： U278.2
- Received：24 May 2024，
  
  Revised：2024-06-17，
  
  Published：15 May 2026
- 稿件说明：
移动端阅览
周素霞，尚豪，张昭. 基于晶体塑性理论的内外缺陷耦合对车轴裂纹萌生的影响［J］. 机械强度，2026，48（5）：58-65.

ZHOU Suxia，SHANG Hao，ZHANG Zhao. Effect of inner and outer defect coupling on crack initiation of axle based on crystal plasticity theory［J］. Journal of Mechanical Strength，2026，48（5）：58-65.
周素霞，尚豪，张昭. 基于晶体塑性理论的内外缺陷耦合对车轴裂纹萌生的影响［J］. 机械强度，2026，48（5）：58-65. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2026.05.007.

ZHOU Suxia，SHANG Hao，ZHANG Zhao. Effect of inner and outer defect coupling on crack initiation of axle based on crystal plasticity theory［J］. Journal of Mechanical Strength，2026，48（5）：58-65. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2026.05.007.

摘要

目的

探究高速列车车轴内部与外部缺陷耦合作用对疲劳裂纹萌生的影响机制。

方法

首先，基于晶体塑性理论，在介观尺度上建立了车轴多晶体有限元模型；其次，对车轴试样进行了拉伸与冲击试验，结合有限元仿真分析了缺陷附近的应力场及结构变形；最后，基于应力分布和塑性应变能密度分布特点，对裂纹萌生位置进行了预测。

结果

结果表明，两缺陷间的相互作用随内部缺陷靠近表面外部缺陷而增强，从而促进裂纹萌生；当内部夹杂物缺陷位于模型中心时，两缺陷间相互作用最小，外部缺陷成为导致裂纹萌生的主导因素。

Abstract

Objective

This study aims to investigate the coupling effect between inner and outer defects on fatigue crack initiation in high-speed train axles to ensure operational safety.

Methods

Firstly

a multi-crystal finite element model was established at the mesoscopic scale based on crystal plasticity theory. Secondly

tensile and impact tests were conducted

and finite element simulations were utilized to analyze the stress field and structural deformation around these defects. Finally

the crack initiation location was predicted based on the characteristics of stress distribution and plastic strain energy density.

Results

The findings indicate that the interaction between the two defects strengthens as the inner defect approaches the outer defect

significantly promoting crack initiation. Conversely

when the inner inclusion is located at the center of the model

the interaction is minimized

and external defects become the primary drivers of crack initiation.

关键词

Keywords

references

周素霞，谢基龙，宋占勋 . 影响车轴疲劳强度关键因素的研究［J］. 机械制造， 2008 ， 46 （ 1 ）： 65 - 67 .

ZHOU Suxia ， XIE Jilong ， SONG Zhanxun . Research on key factors affecting axle fatigue strength ［J］. Machinery ， 2008 ， 46 （ 1 ）： 65 - 67 . （In Chinese）

GÜRER G ， GÜR C H . Failure analysis of fretting fatigue initiation and growth on railway axle press-fits ［J］. Engineering Failure Analysis ， 2018 ， 84 ： 151 - 166 .

CARBONI M ， BERETTA S ， LO CONTE A . Research on corrosion fatigue of railway axles ［J］. Insight-Non-Destructive Testing and Condition Monitoring ， 2011 ， 53 （ 7 ）： 361 - 367 .

冉旭，姜明坤，韩英 . 高铁用进口EA4T钢车轴的组织和力学性能［J］. 机械工程材料， 2019 ， 43 （ 8 ）： 41 - 45 .

RAN Xu ， JIANG Mingkun ， HAN Ying . Microstructure and mechanical properties of imported EA4T steel axle for high-speed railway ［J］. Materials for Mechanical Engineering ， 2019 ， 43 （ 8 ）： 41 - 45 . （In Chinese）

DENG Q M ， BHATTI N ， YIN X C ， et al . Numerical modeling of the effect of randomly distributed inclusions on fretting fatigue-induced stress in metals ［J］. Metals ， 2018 ， 8 （ 10 ）： 836 .

ZERBST U ， BERETTA S ， KÖHLER G ， et al . Safe life and damage tolerance aspects of railway axles：a review ［J］. Engineering Fracture Mechanics ， 2013 ， 98 ： 214 - 271 .

余明华，高杰维，刘里根，等 . 外物损伤对S38C车轴钢疲劳性能的影响［J］. 材料导报， 2021 ， 35 （ 20 ）： 20092 - 20098 .

YU Minghua ， GAO Jiewei ， LIU Ligen ， et al . Influence of foreign object damage on the fatigue strength of S38C axle steel ［J］. Materials Reports ， 2021 ， 35 （ 20 ）： 20092 - 20098 . （In Chinese）

周素霞，孙宇铎，吴毅，等 . 车轴表面不同冲击缺陷的疲劳参数试验与仿真［J］. 中国科技论文， 2021 ， 16 （ 10 ）： 1080 - 1086 .

ZHOU Suxia ， SUN Yuduo ， WU Yi ， et al . Fatigue parameters test and simulation of different impact defects on axle surface ［J］. China Sciencepaper ， 2021 ， 16 （ 10 ）： 1080 - 1086 . （In Chinese）

周素霞 . 高速列车空心车轴损伤容限理论与方法研究［D］. 北京：北京交通大学， 2010 ： 12 - 15 .

ZHOU Suxia . Theory and method research on damage tolerance of the hollow axles of high speed trains ［D］. Beijing ： Beijing Jiaotong University ， 2010 ： 12 - 15 . （In Chinese）

尚德广，王大康，李明 . 基于临界面法的缺口件多轴疲劳寿命预测［J］. 机械强度， 2003 ， 25 （ 2 ）： 212 - 214 .

SHANG Deguang ， WANG Dakang ， LI Ming . Multiaxial fatigue life prediction for notched specimens based on the critical plane approach ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2003 ， 25 （ 2 ）： 212 - 214 . （In Chinese）

阚前华，康国政，徐祥 . 非线性本构关系在ABAQUS中的实现［M］. 北京：科学出版社， 2019 ： 169 - 192 .

KAN Qianhua ， KANG Guozheng ， XU Xiang . Implementations of nonlinear constitutive relations in ABAQUS ［M］. Beijing ： Science Press ， 2019 ： 169 - 192 . （In Chinese）

CONG T ， LI R Y ， ZHENG Z G ， et al . Experimental and computational investigation of weathering steel Q450NQR1 under high cycle fatigue loading via crystal plasticity finite element method ［J］. International Journal of Fatigue ， 2022 ， 159 ： 106772 .

靖雅，钟飞，苑光健，等 . 基于晶体塑性理论的GH4169合金缺口效应研究［J］. 机械工程材料， 2021 ， 45 （ 5 ）： 84 - 90 .

JING Ya ， ZHONG Fei ， YUAN Guangjian ， et al . Study on notch effect of GH4169 alloy by crystal plasticity theory ［J］. Materials for Mechanical Engineering ， 2021 ， 45 （ 5 ）： 84 - 90 . （In Chinese）

FINCATO R ， TSUTSUMI S ， SAKAI T ， et al . 3D crystal plasticity analyses on the role of hard/soft inclusions in the local slip formation ［J］. International Journal of Fatigue ， 2020 ， 134 ： 105518 .

PRASTITI N G ， XU Y L ， BALINT D S ， et al . Discrete dislocation，crystal plasticity and experimental studies of fatigue crack nucleation in single-crystal nickel ［J］. International Journal of Plasticity ， 2020 ， 126 ： 102615 .

HILL R . Generalized constitutive relations for incremental deformation of metal crystals by multislip ［J］. Journal of the Mechanics and Physics of Solids ， 1966 ， 14 （ 2 ）： 95 - 102 .

DENG G J ， TU S T ， ZHANG X C ， et al . Grain size effect on the small fatigue crack initiation and growth mechanisms of nickel-based superalloy GH4169 ［J］. Engineering Fracture Mechanics ， 2015 ， 134 ： 433 - 450 .

卢术娟 . 基于晶体塑性有限元的车轴材料疲劳寿命预测方法研究［D］. 北京：北京建筑大学， 2020 ： 23 - 32 .

LU Shujuan . Research on fatigue life prediction method of axle material based on crystal plasticity finite element model ［D］. Beijing ： Beijing University of Civil Engineering and Architecture ， 2020 ： 23 - 32 . （In Chinese）

景财年，王作成，韩福涛 . 相变诱发塑性的影响因素研究进展［J］. 金属热处理， 2005 ， 30 （ 2 ）： 26 - 31 .

JING Cainian ， WANG Zuocheng ， HAN Futao . Research progress of the influencing factors on transformation induced plasticity ［J］. Heat Treatment of Metals ， 2005 ， 30 （ 2 ）： 26 - 31 . （In Chinese）

张恒，尹鸿祥，吴毅，等 . 含不同尺寸菱形压痕EA4T钢车轴的疲劳性能［J］. 机械工程材料， 2021 ， 45 （ 3 ）： 61 - 65 .

ZHANG Heng ， YIN Hongxiang ， WU Yi ， et al . Fatigue performance of EA4T steel axle with diamond indentation of different size ［J］. Materials for Mechanical Engineering ， 2021 ， 45 （ 3 ）： 61 - 65 . （In Chinese）

吕晓旭 . 典型缺陷对车轴应力及疲劳寿命影响研究［D］. 北京：北京交通大学， 2019 ： 18 - 27 .

LÜ Xiaoxu . Study the influence of typical defects on axle’s stress and fatigue life ［D］. Beijing ： Beijing Jiaotong University ， 2019 ： 18 - 27 . （In Chinese）

李行，张继旺，徐俊生，等 . 缺陷对EA4T车轴钢疲劳性能的影响［J］. 西南交通大学学报， 2021 ， 56 （ 3 ）： 627 - 633 .

LI Hang ， ZHANG Jiwang ， XU Junsheng ， et al . Effect of defect on fatigue property of EA4T axle steel ［J］. Journal of Southwest Jiaotong University ， 2021 ， 56 （ 3 ）： 627 - 633 . （In Chinese）

Views

188

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Thermo-mechanical coupling analysis and fatigue life prediction of the drum brake for tracked work vehicles

Crystal plasticity prediction method for fatigue crack initiation life of Ti6Al4V ELI titanium alloy based on microstructure characteristics

PROCESS SIMULATION AND PARAMETER OPTIMIZATION OF MULTI-LAYER MULTI-PASS WELDED ROTOR

ISOGEOMETRIC ANALYSIS OF STRESS INTENSITY FACTOR IN V-NOTCHED PLANE

Chatter stability analysis in internal grinding of bearing rings

Related Author

ZHANG Zhao

SHANG Hao

ZHOU SuXia

QIN Xunpeng

WU Jiangbo

ZHOU Qiang

JI Feilong

ZHANG Jiale

Related Institution

China Academy of Atomic Energy

Beijing Key Laboratory of Service Performance of Vehicles， Beijing University of Civil Engineering and Architecture

School of Mechanical⁃Electronic and Vehicle Engineering， Beijing University of Civil Engineering and Architecture

School of Automotive Engineering, Wuhan University of Technology

New Energy Power Generation Branch, Jiangxi Electric Power Co., Ltd. of SPIC

⁰