随着我国高速铁路的大规模运营,高速车轮多边形化问题日益凸显,成为轮轨关系领域的研究难题之一,也是目前铁路界备受关注而又难以彻底解决的问题。车轮多边形引起的轮轨冲击,会造成轮轨系统的损伤和车体的异常振动,产生一系列的高/低频冲击噪声和滚动噪声,严重影响了车辆-轨道系统部件的使用寿命和列车乘坐的舒适度,某些极端情况下甚至会给行车安全造成隐患。本文采用有限元模拟为主的研究方法,开展了车轮多边形引起的轮轨冲击力学响应与轮轨系统损伤规律的研究。主要内容与成果包括以下几个方面:(1)建立了轮轨滚动接触三维有限元模型,考虑了轮轨动态接触的几何非线性、材料非线性和接触非线性;将车轮多边形的几何不平顺转换为轮轨接触的位移不平顺,发展了一种可描述车轮真实多边形情况的轮轨动态接触有限元模拟方法,为求解多边形车轮与钢轨间的滚动接触问题提供了一种有效的研究手段。(2)基于上述模型和方法,采用有限元动力学显式算法,在时域内就轮轨间垂向接触力、接触压力、轮轨间应力应变状态等对车轮多边形引起的轮轨间冲击响应进行了分析,比较了周期性和非周期车轮多边形引起的轮轨冲击响应之间的差异,讨论了列车运行速度和周期性车轮多边形阶数对轮轨冲击力学响应的影响。结果表明:车轮多边形严重影响了轮轨系统的正常接触状态;车轮径向偏差的变化对车轮多边形化造成的轮轨间垂向接触力影响很大,且车轮径向偏差变化幅值和变化率越大,其轮轨间垂向接触力也就越大;在本文研究的1阶、3阶和6阶周期性车轮多边形阶数范围内,轮轨间垂向接触力、von Mises等效应力、纵向应力和等效塑性应变的最大值均随着周期性车轮多边形阶数的增加而增大。(3)计及轮/轨材料的应变率效应,研究了考虑轮轨材料应变率效应时车轮多边形条件下的轮轨滚动接触行为,讨论了材料应变率效应对轮轨接触区域压力、轮轨间垂向接触力、轮轨间应力/应变状态的影响。结果表明:轮轨材料的应变率强化效应会显著增大轮轨间von Mises等效应力和显著抑制轮/轨塑性变形。(4)利用随机函数和均匀分布,基于MATLAB生成车轮多边形产生的轮轨间随机不平顺位移激励,借助于上述轮轨动态接触有限元模型的模拟方法,对随机化车轮多边形引起的轮轨冲击响应进行了研究,分析了不同列车运行速度和不同多边形阶数对轮轨间垂向接触力和车轮踏面上von Mises等效应力的影响。结果表明:在车轮与钢轨滚动接触一周的整个过程中,车轮踏面上的轮轨间接触应力最大值呈现出先增大后减小的周期性变化趋势。(5)基于轮轨滚动接触的动态有限元仿真分析结果,研究了车轮多边形对列车车轴所受附加载荷和车轮疲劳寿命的影响,得到了车轮多边形条件下的车轴附加载荷系数,预测了多边形条件下的车轮疲劳寿命。结果表明:随着列车运行速度的增加,其车轴附加载荷系数整体呈现出增长的趋势,对于给定的速度工况,周期性车轮多边形阶数越高,其车轴附加载荷系数也越大;此外,车轮多边形会导致车轮轮辋和轮毂部分的疲劳寿命降低。本文系统研究了车轮多边形条件下的高速轮轨滚动接触行为以及对轮轨系统造成的损伤情况,阐明了一些关键参数对车轮多边形引起的轮轨冲击力学响应带来的影响,可为轮轨系统的优化设计与列车的安全运营提供相应的理论和技术支持。