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

周素霞; 尚豪; 张昭

doi:10.16579/j.issn.1001.9669.2026.05.007

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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

·疲劳·损伤·断裂·失效分析· | 更新时间：2026-05-19

- 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
- Effect of inner and outer defect coupling on crack initiation of axle based on crystal plasticity theory
- 机械强度 2026年48卷第5期页码：58-65
- 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：
  
  周素霞，女，1971年生，河南浚县人，博士，教授；主要研究方向为结构的疲劳和断裂；E-mail：zhousuxia@bucea.edu.cn。
- 基金信息：
  
  北京市自然科学基金项目(L211007)
- DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2026.05.007
  中图分类号： U278.2
- 收稿：2024-05-24，
  
  修回：2024-06-17，
  
  纸质出版：2026-05-15
- 稿件说明：
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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

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