轮轨几何型面匹配关系直接影响铁路车辆的运行性能、运输成本和运行安全,一直是国内外高速铁路技术研究的重要内容。随着我国高速铁路的大规模兴建与运营,轮轨问题日益突出。目前钢轨打磨与旋轮是广泛采用的轮轨伤损与疲劳裂纹控制方法,并对此进行广泛的研究。但轮轨几何形状不匹配,必将影响车辆的动力学性能,增加轮轨的伤损,给轮轨的维护与维修带来很大的负担。一个经济有效的方法是对轮轨型面进行优化,寻找轮轨匹配时性能最佳的踏面。因此,开展轮轨型面优化的研究具有重要的理论意义和较强的工程应用背景。本文以非线性规划理论、车辆-轨道耦合动力学理论、轮轨滚动接触理论等为基础,应用数值方法对车轮型面优化进行了如下研究工作并取得成果。1.开发了一种新的车轮踏面数值优化方法。此方法以轮轨法向间隙为目标函数,采用正向求解方法对车轮踏面进行优化,不再依赖大量的现场经验。为提高优化的计算速度,对序列二次规划法进行了深入的研究,将此方法与拉格朗日法、拟牛顿法相结合,并采用BFGS法对拉格朗日矩阵的拟牛顿矩阵进行求解。编制了数值计算程序对算法进行了实现。2.应用所提新的车轮踏面数值优化方法,在不同轨道参数下,对车轮踏面(LMa)进行了优化。计算了优化前后车辆的接触几何特性与动力学性能,并找出了适合我国既有提速线路的最佳轨底坡、轨距参数与最优车轮踏面。3.建立了基于车辆-轨道耦合动力学的权数法向间隙法。在该方法中,可以根据给定的车辆参数、轨道参数,按照横移量出现的机率划分横移量权数范围,方便地对踏面进行优化。用车辆-轨道耦合动力学模型与非赫兹三维滚动接触计算程序Contact对轮轨接触斑的接触状态的计算结果表明:在不降低曲线通过时轮轨接触应力的情况下,优化后踏面可以很大程度上降低直线轨道上的轮轨接触应力,改善轮轨接触点对分布,由此可大大降低轮轨滚动接触疲劳及轮轨伤损,减少运营成本。