疲劳断裂是高速列车车轴的关键力学问题之一。确保车轴不发生断轴事故,对列车安全、可靠、高效运行至关重要。随着运行速度的提升,车轴受到坚硬外物高速冲击形成外物损伤(FOD)的可能性不断增加。FOD破坏车轴结构以及表面防护涂层完整性,影响车轴疲劳强度并置车轴在大气环境下,诱导车轴在许用载荷条件下萌生裂纹并逐渐扩展到临界尺寸,导致车轴断裂。由此可见,传统的安全寿命设计方法已无法用于损伤车轴安全性评估,论文提出综合名义应力与断裂力学的方法对FOD缺陷演变规律进行准确评估。研究结果如下:1.详细调研现役车轴各种表面损伤,对表面缺陷类型、缺陷占比、缺陷尺寸、分布区域等进行统计分析。研究发现,车轴表面损伤以FOD、划伤为主,FOD缺陷占比近半,主要分布于轴身中部。观测到的最大缺陷宽度约为7700μm,最大缺陷深度约为510μm。2.采用空气炮装置进行FOD模拟试验,使用体视显微镜和扫描电子显微镜(SEM)观察FOD宏观损伤形貌、微观损伤特征;研究表明,FOD微观损伤特征主要表现为:微缺口、微裂纹、片层状结构、材料堆积等。3.进行疲劳加载试验,采用概率统计方法处理实验数据,研究FOD对试样疲劳性能的影响;对疲劳加载后未断试样进行SEM观测,发现FOD造成的应力集中、微结构损伤为疲劳裂纹的萌生、扩展提供了有利条件,是FOD试样及构件疲劳寿命降低的主要原因。4.采用弹塑性有限元方法研究FOD致残余应力并与X射线衍射法测定的残余应力实验数据进行对比,证明了数值仿真方法的正确性与可靠性;分析残余应力对裂纹萌生、扩展的影响:缺陷根部区域一般为残余压应力,可以在一定程度上抑制裂纹萌生、扩展,损伤的部分边缘区域为残余拉应力,与FOD导致的微结构损伤共同为裂纹萌生及扩展等提供了有利条件。5.基于FOD、几何尺寸、表面质量、加载方式等对构件疲劳性能的影响,改进适用于短裂纹的Kitagawa-Takahashi图并将其应用于FOD车轴疲劳评估,获得了更合理、可靠的疲劳加载安全区以及偏于保守的评定结果。