随着我国高速列车运营时速的不断提升,轮轨之间的作用力愈加强烈,加剧了轮轨间的磨耗,不仅会影响列车的动力学性能,而且还降低列车的安全性和舒适性,影响乘客的乘坐体验,缩短车体和构架的使用寿命,增加后期的维护费用和更换费用。本文首先介绍常用的轮轨接触理论,以CRH3系高速列车为参考对象,采用多体动力学软件SIMAPCK建立整车动力学模型,考虑车轮多边形的不同波深和阶数对车辆动力学性能的影响,重点分析了车轮多边形情况下的轮轨力的变化规律。最后结合有限元软件ABAQUS,考虑钢轨材料的循环塑性本构模型,将动力学计算获取的荷载谱作为输入载荷进行静态循环加载分析,讨论车轮多边形诱发的动态载荷对钢轨塑性变形的影响。主要工作总结如下:(1)利用Hertz接触理论和semi-Hertz接触理论,对不同轴重下的轮轨接触有限元模型进行计算,通过对比二者的接触斑形状和接触区最大接触压力可知,由于semiHertz接触理论中轮轨接触区廓形的曲率非常数,导致接触斑形状为非椭圆状,且接触斑面积较Hertz接触的接触斑面积大,接触压力最大值增加。进一步对比接触理论和有限元分析结果的差异发现,通过接触理论获得的接触斑面积和接触压力均与有限元弹塑性分析获得的结果相差很大。为了精确得到车轮多边形激励下钢轨的塑性变形规律,应采用弹塑性有限元分析方法。(2)通过多体动力学软件SIMPACK建立多体动力学模型,利用简谐函数的方法确定车轮多边形的形状,分析不同车轮多边形阶数和波深对轮轨垂向力和横向力的影响。结果发现,当行车速度不变时,轮轨垂向力最大值和幅值随着车轮的波深和高阶多边形阶数的增加而显著增加,低阶多边形对轮轨垂向力和横向力的影响甚微;当行车速度从200 km/h提高至300 km/h且车轮多边形波深不变时,轮轨垂向力和横向力幅值均随着速度的提高而增大,且速度提高至300 km/h时,高阶多边形对轮轨垂向力和横向力的影响十分显著。当波深和行车速度不变,轮轨横向力最大值和幅值随着车轮多边形阶数的增加而增加,且在车轮产生高阶多边形时增加最快;当行车速度为200 km/h,且当波深为0.1 mm、车轮多边形阶数为17阶时轮轨垂向力超出了规范限值;当车辆速度为250 km/h,波深分别为0.05 mm和0.1 mm时,对应的轮轨垂向力最大值分别在18阶、14阶时达到临界条件;当车辆速度为300 km/h,且波深分别为0.05 mm和0.1 mm时,对应的轮轨垂向力最大值分别在15阶和12阶达到临界范围。其它各工况下轮轨横向力均没有超出规范限值。(3)通过SIMPACK仿真计算不同车速、车轮多边形阶数、波深对脱轨系数的影响,结果显示,脱轨系数随着车速的增加而增加;随着车轮多边形的增加而增加,且阶数越高,脱轨系数增加越快;脱轨系数随着波深的增加而增加。所有工况的脱轨系数远低于规范的脱轨系数限值,即在分析车轮多边形参数范围内,CRH3系列车的防脱轨安全性较高。进而通过MATLAB数值计算获得列车的平稳性系数,结果显示,列车的横向平稳性系数高于垂向平稳性系数,但随着车轮多边形阶数的增加,平稳性系数呈现先降低后增长的趋势;随着车轮多边形波深的增加,平稳性系数缓慢增加,离规范限值2.5仍有很大裕量,即在分析的车轮多边形参数对CRH3系列车的平稳性影响较小。(4)采用ABAQUS建立三维轮轨接触模型,钢轨材料本构模型采用改进的AbdelKarim-Ohno模型,通过静态分析比较不同车速、不同车轮多边形阶数和波深对钢轨塑性变形的影响。结果发现,随着车速和车轮多边形阶数的增加,车轮多边形荷载谱的幅值和峰值明显增加,导致钢轨产生了较为明显的塑性应变累积效应,即钢轨的塑性应变随着车速、阶数和波深的增加而增加;通过与静轴重的结果进行对比发现,车轮多边形诱发的载荷谱变化对钢轨塑性变形的影响明显高于静轴重下的结果,但钢轨发生最大塑性应变的深度与车速、车轮多边形阶数和波深的关联不大。