车轮非圆化磨耗是轮轨关系领域的研究难题之一。在我国高速铁路的快速发展过程中,高速动车组发生了较普遍的高速车轮非圆化问题。非圆化车轮不仅会加剧轮轨动态相互作用,增加车辆-轨道系统振动的噪声辐射,也会大大缩短车辆-轨道相关零部件的疲劳寿命,某些极端工况下甚至会威胁行车安全。本论文通过建立可考虑车轮多边形缺陷的三维瞬态高速轮轨滚动接触有限元模型,系统研究了车轮多边形条件下的高速轮轨滚动接触行为和车辆-轨道间的高频动力作用。论文第一章,详细介绍了高速车轮非圆化磨耗的工程背景和相关文献,并对轮轨材料动态行为的相关研究进行了综述。鉴于尚无针对车轮多边形条件下的轮轨接触行为和高频动力作用下材料行为研究的现状,指出了本文建立三维瞬态有限元模型来研究车轮多边形的必要性。上述三维有限元模型采用了显式有限元法,具体参数取自国内某高铁系统,于时域内数值重现了车轮滚过钢轨时的瞬态接触行为,可输出接触应力、粘滑分布及摩擦功等详细接触结果。真实的轮轨几何、材料非线性、自旋蠕滑和轮轨材料的连续体振动等均可考虑在内。光滑工况下的滚动接触解表明,所建立的瞬态滚动有限元模型可以准确计算轮轨间瞬态滚动行为,为研究多边形车轮与钢轨间滚动接触提供了研究手段。利用高速列车车轮多边形实测结果,将典型多边形数据通过修改车轮表面节点坐标的方式引入上述模型,分析了不同速度、牵引力、摩擦系数等条件下多边形车轮的高速滚滑行为和相应的瞬态接触解。结果显示,车轮多边形造成轮轨接触状态的剧烈波动,接触斑的形状和尺寸、接触力、接触应力和摩擦功等结果的最值较光滑工况有显著变化;在相同多边形波深前提下,高阶多边形的影响较低阶更显著,即波动幅值更大;牵引水平的提高也会进一步增大该变化趋势;大牵引扭矩情况下,过小的摩擦系数导致的过大蠕滑会加剧轮轨磨耗;对于所模拟轮轨系统,摩擦功波动幅值、切向接触应力和表层材料的V-M（Von Mises）等效应力均在300 km/h时速达到极值;多边形波深过大会导致轮轨瞬时脱离,比如,波深0.4 mm的18阶多边形在300 km/h速度下会发生轮轨脱离。第四章着重分析了表层0.25⁰.5 mm厚材料的平均应变率水平,考虑了平顺轮轨表面和车轮宏观几何不平顺（多边形）的影响。结果显示,模型离散尺度,如网格大小和时间步长,对应变率估计有不可忽略的影响,分析中采用0.5 mm网格和0.32μs步长。表层单元应变率最大,且法向应变分量的应变率最大,其最值是V-M等效应变率最值的1.56倍;表层材料的最高应变率发生于其进出接触斑的加、减载过程,于接触斑中心附近有极小值。300 km/h速度下,平顺轮轨表面材料的最大V-M等效应变率为64.1 s^-1,材料弹塑性对其无影响,宏观几何不平顺会显著增加应变率,在弹性和弹塑性下最大V-M等效应变率分别增至91.9 s^-1和105 s^-1,0.25 mm网格的结果是上述弹性值的约1.60¹.80倍。最大V-M等效应变率随摩擦系数增加而单调递增,而牵引系数则在轮轨滚滑状态下才有影响;最大V-M等效应变率大致随速度线性增加,400 km/h下平顺表面的结果升至88.7 s^-1。第五章着重研究了轮轨材料在服役初期（材料未进入安定）的瞬态接触解,引入实测的考虑应变率效应的弹塑性材料本构和双线性弹塑性本构模型进行对比分析。相比弹性材料,弹塑性材料下接触斑因塑性变形而变大,接触应力和V-M等效应力水平则相应降低,车轮滚过后,会有明显的残余应力和应变留在轮轨接触表面。最后,给出结论与展望。