随着我国高速列车产业的不断发展,高速列车的服役安全问题被广泛关注。端部底架是高速列车主要承载结构之一,服役过程中会因循环载荷及复杂环境的交互作用而产生损伤,并导致裂纹的萌生与扩展,降低结构的剩余强度和使用寿命。如何采用与现代工程结构损伤容限设计和评估理念相容的方法对高速列车结构材料的疲劳损伤过程进行监管,并开展关键功能部件断裂力学性能的可靠性分析研究,是高速列车服役安全的重要课题。本论文从工程应用的角度出发,探索高速列车结构材料的疲劳裂纹扩展行为。论文针对高速列车端部底架关键功能部件铝合金材料进行断裂力学性能测试与可靠性分析,重点围绕服役经历对材料断裂力学性能的影响、预循环应力对材料断裂力学性能产生的“锻炼”效应、以及材料疲劳裂纹扩展行为的评估方法等开展系统研究,为高速列车的可靠性设计和安全性运行提供基础科学依据。建立高速列车端部底架结构三维模型,在保证有限元计算精度的前提下,对结构进行合理简化。根据实际情况确定载荷和边界约束条件,通过有限元分析获得底架结构关键功能部件的应力和位移分布状态,将有限元分析结果与线路实测值进行对比,验证其合理性,并以此作为服役材料断裂力学性能评估研究的工程背景和设计依据。通过对具有多年服役经历的高速列车端部底架关键功能部件材料进行断裂力学性能测试,分析服役材料的性能变化情况。鉴于稳态裂纹扩展阶段da/dN-AK关系表现为折线形式,提出合理的分段拟合方法。研究近门槛值区域的疲劳裂纹扩展行为,探讨产生折线型da/dN-ΔK关系的原因。通过对断口形貌进行观测,探究服役材料性能变化的微观机理,从而全面评估服役经历对高速列车结构材料断裂力学性能的影响。鉴于服役材料稳态裂纹扩展阶段da/dN-ΔK关系的折线特征,针对高速列车结构材料开展不同水平预循环应力作用下的拉伸试验和断裂力学试验研究,分析施加预循环应力对材料各项力学性能的影响以及材料产生“锻炼”效应的原因。根据预循环应力作用后材料的疲劳裂纹扩展行为,提出合理的寿命预测模型,并与实测数据进行对比、验证。最后,定量分析了材料微观组织中微观缺陷和形貌特征在经历预循环应力作用后的变化规律,探索提高高速列车结构材料强度和使用寿命的途径。介绍工程中广泛应用的规定置信度、可靠度的p-da/dN-AK关系曲线拟合方法,并分析其存在的不合理之处。通过对试验数据分散性的分布规律进行研究,提出两种能够真实呈现疲劳裂纹扩展规律的概率疲劳裂纹扩展速率统计分析方法。基于Java平台,设计、编写了“概率疲劳裂纹扩展速率统计分析”软件。软件涵盖多种统计分析方法,为工程中评估材料的疲劳裂纹扩展行为和疲劳裂纹扩展寿命提供高效、便捷的计算工具。应用有限元法建立三维应力强度因子计算模型,并采用相互作用积分法计算获得裂纹尖端应力强度因子沿厚度方向的分布。通过与试验数据和解析法求解结果进行对比,证明本文提出的三维计算模型能够对具有厚度尺寸效应的裂纹尖端应力强度因子求解结果起到修正作用,从而为准确评估材料的疲劳裂纹扩展行为提供解决方法。