现代轨道车辆日益向着高速化和重载化方向发展,其结构强度问题变得越来越严重。现代轨道车辆结构的核心问题,不再是静强度和刚度问题,而是如何实现结构长寿命、高可靠性和低成本维修。基于断裂力学的抗疲劳设计方法建立了疲劳寿命与初始疲劳缺陷尺寸以及裂纹扩展率之间的关系模型,是解决现代轨道车辆结构问题的有效方法。但是,基于断裂力学的抗疲劳设计法仍然存在一些有待完善的地方,例如原始疲劳质量的定义和评估、裂纹扩展率的确定等,这使得该方法对试验具有较强的依赖性,且所得试验数据缺乏广泛的适用性。针对这些问题,本文以原始疲劳质量的评估、裂纹扩展率的确定、原始疲劳质量概念的定义及其在轨道车辆上的应用为着力点,开展了以下几个方面的研究工作。1)原始疲劳质量评估方法的改进研究。首先比较各种裂纹形成时间(Time to Crack Initiation,TTCI)插值方法的不同,分析插值方法对TTCI分布参数以及经济寿命的影响。其次,基于降阶思想和二分法,提出一种新的三参数Weibull分布极大似然估计数值解法。最后,改进TTCI分布参数估计方法,在此基础上,结合约束最小二乘法,提出确定通用当量初始缺陷尺寸分布参数的新方法。数值计算表明,新方法具有精度高、计算简便等优点。2)裂纹扩展率的确定方法研究。推导S-N、P-S-N曲线与裂纹扩展率曲线之间的关系,研究常幅载荷、变幅载荷以及随机载荷下裂纹扩展率的确定方法,并分析不同影响因素对裂纹扩展率的影响,讨论S-N和P-S-N曲线表达式不同时裂纹扩展率的确定方法。试验研究表明,用S-N和P-S-N曲线预测裂纹扩展曲线,可获得满意的精度,对试验的依赖性小。3)原始疲劳质量的概念研究。分析结构原始疲劳质量概念的缺点,提出材料原始疲劳质量的概念,在此基础上,提出改进的耐久性分析方法。由于材料原始疲劳质量不受尺寸、形状、加工工艺和使用环境等因素的影响,材料的原始疲劳质量适用于相同材质的任意结构细节,具有广泛的适用性。4)耐久性分析方法在轨道车辆上的应用研究。针对轨道车辆结构的特点,对耐久性关键结构细节(车轴和牵引梁)进行耐久性试验和分析,考察其结构细节的耐久性能,为基于断裂力学的抗疲劳设计方法在轨道车辆结构设计上的广泛应用提供了新的思路。