S-N曲线测定.doc

附件4国家科技支撑计划课题申报书（试行） 项目名称： 车辆第一批面上课题 课题名称： 磁浮列车车厢结构材料S-N曲线研究 项目组织单位： 上海市科学技术委员会 课题申报单位： 上海磁浮交通发展有限公司 同济大学 课题负责人： 何国求 起止年限：20 08 年 04 月至20 08 年 07 月中华人民共和国科学技术部二八 年 五 月编写说明1本申报书由课题申报单位组织编写，经单位主管部门国务院有关部门（单位）科技司（局），地方科技厅（委、局），国资委直属公司审核同意后上报项目组织单位。2编写要求：（1）课题目标符合项目的课题申报指南的要求，定位准确，指标明确、可考核；（2）课题任务明确，要充分考虑经济、技术等方面的可行性；（3）课题管理与实施符合国家科技支撑计划管理暂行办法；（4）课题所需国拨经费按国家科技支撑计划专项经费管理暂行办法管理和使用，并另编制国家科技计划课题预算申报书一并上报；3课题申报书A4打印，由项目组织单位确定上报份数。同时，通过科技部门户网站（）上的“国家科技计划经费预算申报中心”，将国家科技计划课题预算申报书报送科技部。课题信息表项目名称车辆第一批面上课题课题名称磁浮列车车厢结构材料SN曲线研究申报形式投标 有限择优 指定 其他课题申报单位名 称上海磁浮交通发展有限公司单位所在地上海 市 省（市、区）浦东新区代码通讯地址上海市浦东新区龙阳路2520号邮编201204单位类别事业型研究单位 大专院校 其他事业单位 转制为企业的科研院所 国有企业集体所有制企业 合资企业 外商投资企业港、澳、台投资企业 其他企业代码单位主管部门上海市科学技术委员会代码其他主要参加单 位序号单 位 名 称1同济大学课题负责人姓 名何国求性别男 女出生年1966年学 历博士 硕士 学士 其他职 称高级 中级 初级 其他联系电话02165982463E-课题组人数14人高级4人中级人初级人其他10人起始时间2008年04月终止时间2008年7月课题活动类型应用基础研究 应用开发 产业化开发 其他所属技术领域能源 资源 环境 农业 材料 制造业交通运输 信息产业与现代服务业 人口与健康城镇化与城市发展公共安全与其他社会事业创新类型原始创新 集成创新 引进消化吸收再创新主要研究内容(100字以内)高速磁浮列车车厢结构材料受交变应力的作用，本课题研究其疲劳寿命与应力水平之间的关系，测试材料的S-N疲劳性能曲线，分析式样断口的失效过程和断裂机理。为磁浮列车车厢国产化提供安全性和可靠性评估。预期成果专利 技术标准 新产品（或农业新品种） 新工艺新装置 新材料 计算机软件 论文论著 研究报告其他预期知识产权获得国外发明专利 项，国内发明专利 2 项，其他 项。预期技术标准制定国际标准 国家标准 行业标准 企业标准产学研联合是 否经费预算28.00万元，其中国拨万元。课题申报书提纲一、课题概述随着疲劳试验研究的不断发展， 有限寿命设计在各工业部门的广泛开展和新工艺、新材料的研制，都要求提供准确可靠的疲劳性能数据。疲劳强度是工程应用中进行可靠性设计的一个重要强度指标。它通常包括疲劳极限强度和条件疲劳强度，疲劳极限强度是材料抵抗无限次应力循环也不至疲劳断裂的强度指标，条件疲劳强度是材料抵抗规定循环周次而不疲劳断裂的强度指标。条件疲劳强度是在指定寿命下，通过S-N(应力-寿命)曲线方程确定的。因此，选择恰当的方法测定和处理S-N曲线方程，直接关系到条件疲劳强度的准确性确定。磁浮列车车厢结构材料的疲劳可靠性，关系到磁浮列车运输安全。疲劳可靠性S-N曲线，是实现疲劳可靠性设计与评价的基础。磁浮列车车厢制造的结构材料采用了夹芯层结构，要实现列车磁浮车厢制造的国产化，需要对其疲劳寿命在任意存活概率(P)-置信度(C)下的S-N曲线和疲劳数据进行测定与研究。从而可以按照相应概率水平完成对列车车厢的可靠性设计和寿命预测。同时，生产中要求做到任意可靠性水平的设计、寿命预测与失效率分布规律研究，这也需要广义疲劳可靠性的S-N曲线。疲劳实验数据受许多随机因素的影响，具有很大的离散性。但是疲劳寿命和疲劳应力水平都服从一定的统计分布规律，如对数分布或威布尔分布等。因此，采用科学的数理统计理论和合理的数据处理方法，对疲劳性能S-N曲线的研究具有重大的理论和现实意义。本课题针对磁浮列车车厢结构材料在交变应力作用下的疲劳行为，测定其疲劳寿命与所受应力水平的关系曲线，并研究分析在不同置信度的存活概率条件下的S-N曲线。同时，对其进行断口失效分析，探讨磁浮列车车厢结构材料的疲劳失效过程及机理、疲劳力学性能及其影响因素等。二、课题的目标与任务1项目确定的课题目标与任务需求分析（1）结合高速磁浮列车车厢结构材料受交变应力作用的条件，有针对性地选择疲劳试验方法、采用合理的数据处理方式，研究其疲劳寿命与应力水平的关系曲线，并探讨在不同置信度的存活概率条件下的S-N曲线，为列车车厢的可靠性设计和寿命预测提供理论支持。（2）对高速磁浮列车车厢结构材料进行断口分析，探讨影响磁浮列车车厢结构材料疲劳寿命的主要因素和失效机理，为工程应用提供实用技术支持。2课题目标与任务解决的主要技术难点和问题分析由于金属是多晶体，各个晶粒的位相和性质都不相同，而疲劳破坏是在应力最大的薄弱晶粒或缺陷处首先萌生，不像静态破坏那样在破坏前有一个应力重新分配的宏观塑性变形过程，因此材料的疲劳性质受随机因素的影响很大，有很大的离散性。这是材料的疲劳性质和静载力学性能的一个重要差别。疲劳数据的离散性受材料的强度，试样的表面质量，尺寸大小和所受应力水平等因素的影响。而且这些因素对疲劳寿命的离散性和疲劳极限强度的离散性的影响程度又都不一样。因此，材料式样的疲劳寿命与应力水平之间的关系，并不是一一对应的单值关系。要全面表达材料的疲劳寿命与应力之间的关系，需要考虑到在不同置信度下的各种存活概率的S-N曲线。随着疲劳试验研究的不断发展，有限寿命设计在各工业部门的广泛开展和新工艺、新材料的研制，都要求提供准确可靠的疲劳性能数据，因此有针对性地选择疲劳试验方法、采用合理的数据处理方式是疲劳试验中的重点和难点。有效地引用数理统计方法处理数据是通常采用的方式。三、现有工作基础与优势1国内外现有技术、知识产权和技术标准现状及预期分析磁浮列车车厢制造的结构材料采用了夹芯层结构，疲劳性能测试研究实验中所用的材料和结构如下：夹芯层结构： 铝： AA5754/H22， 厚1.0mm芯层：ROHACELL71S， 厚38.2mm铝： AA5754/H22， 厚0.8mm6040600试件尺寸：长度： 600mm宽度： 60mm 总厚： 40mm其中AA5754铝合金具有中等强度、良好的耐蚀性、焊接性及易于加工成形等特点，是AlMg系合金中的典型合金。AA5754铝合金的化学成分如下：Chemical Composition Limits wt%CuSiFeMnMgZnCrTiPb.BiAl0.100.400.400.502.6-00.15/Bal.AA5754铝合金在不同的加工状态下具有不同的显微组织和机械力学性能，国内外的已有大量的文献报道，但对其疲劳寿命与应力关系曲线的研究还较少。夹芯层结构中的ROHACELL71S材料为聚甲基丙烯基酰亚胺泡沫(PMI)，该材料的主要特征为：1.成型密度精确可控、范围宽；2.耐温特性突出；3.外介电特性强，具有较好的隔热和阻燃性能；4. 韧性，回弹性好，易加工成型；5.质量轻，刚性高和极高的阻尼性能。将ROHACELL71S材料用在高速磁浮列车车厢上，可以减轻装配质量和提高安全性。其主要性能参数如下： The properties of ROHACELL71SDensity kg/m3Compressive strength /MPaTensile strength /MPaShear strength /MPaElastic modulus /MPaShear modulus /MPaElongation at break /MPaHeat distortionTemperature C751,51,91,290343,5190目前，国内针对具有复杂结构的磁浮列车车厢结构材料的疲劳性能研究还未见有文献报道。为了检验高速磁浮国产化样车车厢结构设计和工艺的安全性、可靠性。为结构有限元分析提供技术支持并验证结构有限元分析结果的正确性，根据国家表标GB3075-82金属轴向疲劳试验方法和航空工业标准HB5287-96金属材料轴向加载疲劳试验方法，国家磁浮交通工程技术研究中心规范了磁浮列车车厢结构材料的疲劳性能测试方法。疲劳试验数据是疲劳强度设计及可靠性设计的基础。试验所得到的数据是一系列离散、但服从一定分布规律的随机数据。如何充分利用这些来之不易的数据，通过合理的数据处理方法，得到更多有用的结果，是值得研究的课题。材料疲劳试验数据的分析估计是合理安全利用材料的基础，基于经典统计理论和常规疲劳可靠性分析方法，可以将疲劳试验数据处理成P-S-N曲线的形式加以利用。现有的数据处理方法通常是求出50%置信度下(即C=50时)的P-S-N曲线及相应的疲劳极限。对其余置信度下的结果，则通过利用如最小二乘法等方法拟合得到。随着计算机的发展，其在疲劳性能分析研究中的应用越来越广泛。熊和根利用计算机辅助求解任意置信度下的秩并对任意置信度下的P-S-N曲线拟合，对疲劳数据进行处理，获得了更全面、准确的结果。并以实例进行了计算，验证了该方法的正确、可行性。Efron提出了一种计算机加强方法即Bootstrap方法，该方法的基本思想是用已知的经验分布函数代替未知母体分布函数，不仅考虑到试验数据的分散性，而且还考虑了母体与样本的差异。李洪双利用Bootstrap方法对材料LY12CZ拟合任意置信度和任意可靠度下的C-P-S-N曲线，获得了更安全可信的估计结果，有效改善了常规方法出现的危险问题。赵永翔根据疲劳寿命服从对数正态分布下S-N数据和概率S-N曲线的Monte Carlo重构方法，对60Si2Mn弹簧钢可靠性S-N曲线重构进行实例分析，说明了该方法的有效性和可行性。2课题申请单位及主要参与单位研究基础（已有的研究开发经历，科技成果、科研条件与研究开发队伍现状等）同济大学材料学学科属国家级重点学科，具有博士点与博士后流动站，还拥有上海市金属功能材料开发与应用重点实验室，该重点实验室曾获多项专利和国家及省部级科技进步奖，目前承担了多项国家、铁道部及上海市科技项目。先后承担和完成了三项国家自然科学基金项目，一项国家科技重点攻关项目子课题，两项国际合作项目，发表论文100余篇，曾多次承担并出色完成金属功能材料的相关课题，多次获得奖励。同济大学具有以下相关试验设备：（1）国产多轴疲劳试验机，多台MTS 试验机（2）多台光学显微镜（3）日立H-800，200KV透射电镜。（4）剑桥大样品台扫描电镜及探针。（5）日本理学会D/max12KW转靶X射线衍射仪。（6）西德产MM-6大型金相显微镜。（7）冲击试验机（8）电阻率及密度测定仪（10）各种试样加工设备（包括可切100mm的线切割机，仪表车床等）。何国求教授所领导的课题组，人才梯队完善，目前拥有高级职称的科研人员4人，博士研究生5人，硕士研究生5人。该课题组承担、并出色完成了包括“973”、“863”、国家自然科学基金在内的等多项课题，对多轴疲劳研究结果获教育部科技进步二等奖。四、任务分解与考核指标1课题研究内容、技术路线和创新点研究内容：（1）测试磁浮列车车厢结构材料的S-N疲劳曲线，并拟合得到S-N曲线方程。（2）研究分析磁浮列车车厢结构材料不同置信度和存活率下的疲劳应力与寿命之间的关系及相应的S-N曲线。（3）对磁浮列车车厢结构材料的局部应力-应变现象进行详尽研究，并利用局部应力-应变法预计结构寿命。（4）对实验材料的式样断口进行失效分析研究，探讨其失效破坏过程和断裂机理。（5）评价分析磁浮列车车厢结构材料在工程应用上的安全性和可靠性。技术路线：材料准备试样加工材料S-N曲线测定S-N曲线分析研究式样断口失效分析研究对材料工程应用的可靠性评估分析创新点：采用适当的数理统计理论和科学的数据处理方式对磁浮列车车厢结构材料的S-N疲劳曲线进行分析研究，并得到相应的疲劳曲线方程，为该材料的工程应用提供理论和技术支持。2主要技术指标（如形成的知识产权、技术标准、新技术、新产品、新装置、论文专著等数量、指标及其水平，与国内外同类技术或产品的竞争分析，满足项目所依托的重大工程建设或重大装备研制的需求情况等）3主要经济、社会、环境效益（如技术及产品应用产业化前景，在课题实施期内能够形成的市场规模与效益，对保障国家安全、促进社会可持续发展及提升我国相关产业竞争力的作用等）无4课题实施中可能形成的示范基地、中试线、生产线及其规模无5人才队伍建设课题进行期间，培养博士生12名，培养硕士生12名。6其他应考核的指标无五、经费预算1课题总投资预算、各项任务经费分配及分年度经费需求单位：万元1、人员费1.35 （1500元/人月*3月*3人=1.35万）2、设备改装费 5.00 3、试样加工费1.20 （40根*300元/根=1.2 万）4、测试化验加工费17.35 （1446小时*120元/小时=17.35万，试验频率7赫兹，所需试样6组，每组3根，疲劳寿命107、106、105、104、103、102）5、燃料动力费0.006、差旅费0.007、会议费0.008、国际合作与交流费0.009、出版/文献/信息传播/知识产权事务费0.1310、专家咨询费0.0011、管理费2.9712、其它费用0.00合计：28.002资金筹措方案及配套资金落实措施10六、课题的年度计划及年度目标1课题进度安排序号进度安排任 务第一年第二年第三年第四年第五年上半年下半年上半年下半年上半年下半年上半年下半年上半年下半年1材料准备2式样加工3S-N曲线测定4材料疲劳寿命与应力关系研究5材料断口失效分析研究6评价分析材料在工程应用上的可靠性能2课题各年度目标及考核指标无七、实施机制1课题的组织管理措施2课题参与单位的任务分工及国拨专项经费分配3产学研结合模式4知识产权与成果管理及权益分配八、课题负责人及参加课题主要人员情况1课题负责人简介何国求：男，1966年9月生，同济大学材料科学与工程学院教授，博士生导师，同济大学金属基材料研究所副所长，上海市金属功能材料开发与应用重点实验室副主任，铁道部科技拔尖人才，上海市教委曙光学者，2005入选“教育部新世纪优秀青年人才支持计划”，中国材料研究学会疲劳分会理事，全国疲劳与断裂学术会议学术委员会成员。2005年受德国卡塞尔大学的邀请，曾到德国卡塞尔大学进行学术访问和交流，受国家自然科学基金委和上海市科委的资助，2005年8月到加拿大蒙特利尔参加第七届国际细观力学会议并宣读论文，2007年到美国密西根大学进行学术访问，就铝合金材料的多轴疲劳问题与国际同行进行了交流和探讨，已发表论文100余篇，获教育部科技进步二等奖。2课题负责人及主要参加人员课题负责人姓 名性别年龄职务/职称业