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當(dāng)交變載荷作用于車軸時，產(chǎn)生的應(yīng)力便會在刀花處不斷囤積，當(dāng)其超過車軸的疲勞極限時，便在該位置萌生裂紋，并不斷向心部擴展，擴展過程中不同裂紋相互連接，最終導(dǎo)致車軸斷裂。結(jié)論⑴車軸的原材料、鍛造熱處理工序未對其疲勞性能產(chǎn)生不利影響。⑵車軸機加工過程中，進給量的提高直接導(dǎo)致了車軸表層拉應(yīng)力的增大，降低了車軸的疲勞極限。

材料疲勞是機械設(shè)計的老大難問題，不管你是造飛機，還是高鐵汽車，都繞不開。從工業(yè)革命開始，工程師們就疑惑：這好好的火車車軸，怎么用一段時間就斷？同時也開始了苦苦探求：這個結(jié)構(gòu)在斷裂之前到底能堅持多久？直到19世紀中期，德國工程師奧古斯特·沃勒通過試驗發(fā)現(xiàn)：應(yīng)力幅度越小，材料能承受的循環(huán)次數(shù)就越多。

航空史上，由結(jié)構(gòu)疲勞導(dǎo)致的機毀人亡的事故屢見不鮮。 火車車軸疲勞研究（史上第一次）▲ 飛機結(jié)構(gòu)失效大部分是由疲勞產(chǎn)生的，下面是典型案例。

第一車軸緊位于斜板后方，軸后是駕駛艙，駕駛員坐在車體中間，配備升高的轉(zhuǎn)塔，其上裝有潛望鏡。駕駛員位置后方至車尾的車體升高，高于車頭。車體中間安裝炮塔吊艙，其后還有兩個車軸。前后車軸用于轉(zhuǎn)向，每個車輪都配備獨立液氣式懸掛裝置。發(fā)動機位于車體最后部，車尾右側(cè)設(shè)有一個圓形排氣口。第一、第二個車軸之間裝有大型減速器。炮塔較大且不規(guī)則，火炮裝在炮塔中央，配備熱護套和炮口制退器。

為了縮短生產(chǎn)周期，提高制造輪轂材料的利用率，可以在作輪轂前期對其進行疲勞壽命的估算，若符合設(shè)計要求再生產(chǎn)，然后進行彎曲疲勞試驗，這樣不但能根據(jù)估算的疲勞壽命對輪轂進行再設(shè)計和改進來提高輪轂的疲勞壽命也可以在后期的疲勞試驗中獲得比較理想的結(jié)果[18-20]。

高鐵列車主要有四大部分組裝而成：車體、轉(zhuǎn)向架、車上下大部件、車內(nèi)設(shè)施；高速鐵路也已經(jīng)實現(xiàn)諸如鋼軌、扣件等重要部件材料的自主研發(fā)生產(chǎn)和國產(chǎn)化，隨著高鐵技術(shù)不斷發(fā)展的需求，需要開發(fā)適應(yīng)高鐵需求的新材料新技術(shù)，同時對新材料的強度、疲勞性能、輕量化、工藝性等提出了更高的要求。

利用該模型已經(jīng)詳細開展了大量的輪軌滾動仿真，比如：1）輪軌不平順（鋼軌波磨、焊接接頭、硌傷、隱傷；車輪多邊形、擦傷、凹磨）；2）道岔瞬態(tài)沖擊振動；3）單點-兩點接觸；4）輪軌低黏著；5）熱機耦合，并分析了各種情形下的輪軌滾動接觸力學(xué)行為、磨耗和疲勞損傷問題。

首先我們從常規(guī)轎車鋁合金輪轂入手，常規(guī)輪轂一般分為輪輞、輪輻和與車軸鏈接安裝盤三個主要部分。 輪轂各部分構(gòu)成 輪轂的主要參數(shù) 其中輪輞部分主要與輪胎固定，規(guī)格參數(shù)與輪胎緊密對應(yīng)。

楊暢[8]基于變密度法和SIMP懲罰優(yōu)化準則來構(gòu)建拓撲優(yōu)化，對汽車傳動軸進行了輕量化，結(jié)果使車軸總體上降低了10%的質(zhì)量。孫志遠等[9]用拓撲優(yōu)化的方法對汽車前車架進行了輕量化設(shè)計，車架在結(jié)構(gòu)優(yōu)化后減輕了30.8%;Kiani等[10]用拓撲優(yōu)化的方法對鎂材料的車身進行輕量化設(shè)計，仿真結(jié)果顯示了車身在滿足碰撞和振動要求下，質(zhì)量大幅減少。