车轮踏面擦伤是最早为人所知的车轮踏面损伤形式。时至今日,在高速、重载铁路的迅猛发展的前提下,它依然是引起车轮不圆度的主要因素之一。通过建立三维瞬态有限元模型并引入三维擦伤几何缺陷,本论文系统研究了车轮擦伤存在时的高速轮轨滚动接触和相应的车辆一轨道高频耦合动力作用。首先,简单介绍了高速车轮擦伤工程背景和文献研究,指出了建立三维瞬态有限元模型研究擦伤的必要性。其次,详细介绍了所建立的考虑三维擦伤几何的滚动接触有限元模型。模拟采用LMa踏面的车轮与CHN60钢轨在无缺陷条件下的瞬态滚动接触,通过对比广泛为人接受的CONTACT滚动接触程序的解,从蠕滑力／率曲线角度完成了对模型的验证。利用验证的有限元模型,第三章详细分析了车轮擦伤处的瞬态滚动接触行为。发现带擦伤车轮在不同速度下发生两点接触或轮轨脱离现象,且会伴随瞬时全滑动滚动状态。与基于刚体假设的动力学建模相比,本模型考虑了轮轨的质量分布及弹性变形,这使得所预测的车轮擦伤临界速度大大提高。第四章中引入了实测的考虑应变率效应的弹塑性材料本构关系,详细分析了其对擦伤处瞬态滚动接触解的影响。相比弹性材料,弹塑性条件下擦伤边缘处的等效应力水平显著降低。冲击处考虑应变率效应的弹塑性材料存在的残余应力较光滑表面的结果低,或可对二次冲击产生显著的影响。第五章考虑了随相对滑移速度变化的摩擦系数对滚动接触解的影响,提出了一种通用的接触斑粘着一滑移区判断方法。结果显示,相比库伦摩擦函数,速度型摩擦模型会显著地影响擦伤引起的冲击现象。之后,在时、频域内研究了轴箱加速度随擦伤几何、运行速度等参数的变化,为车轮擦伤的在线自动检测系统提供特征信号与擦伤之间的关系数据库,这构成第六章内容。该模型所得的轴箱加速度结果的可靠性已在文献中得以验证。相比光滑工况,车轮擦伤会激起两个特征模态,其频率分别为1099 Hz和1798 Hz,这在轴箱加速度信号中得到充分展现,且这两个频率的峰值会随着擦伤尺寸的增加显著提高。时域内的最大轴箱加速度值和最大轮轨法向力也随着擦伤尺寸的增加而变大,并在150～200km/h速度区间达到极值。最后,给出结论与展望。