我国的铁路正在向着客运高速化、货运重载化方向发展,随着列车速度的提高、轴重的增加,钢轨承受的载荷水平也会显著增大,钢轨在轮轨和周围环境等复杂载荷的作用下产生了不同的伤损形式,其中轮轨滚动接触疲劳是非常普遍的一种伤损形式。钢轨在发生滚动接触疲劳伤损之后,会引起踏面不平顺、轨头核伤,甚至断轨,影响列车运行的安全性、平稳性和舒适性。因此,深入研究轮轨滚动接触疲劳伤损问题,对于延长钢轨使用寿命,维护列车运营安全,提高铁路经营效益都有重要意义。Kalker滚动接触理论是当今轮轨接触问题的基础,对于轮轨接触问题的发展起着重要作用,但该理论在分析非线性及复杂接触问题时并不能达到满意的效果。因此,需要提出适合于分析复杂轮轨接触问题的方法,通过轮轨接触疲劳分析,为预防钢轨伤损提供一定的指导,为探究伤损问题提供一定的理论依据。本文以轮轨瞬态滚动接触模型为基础,针对高速铁路中钢轨波磨引起的轮轨系统振动问题进行了分析,建立轮轨瞬态滚动接触有限元模型,对不同的影响因素进行分析。同时针对重载铁路中钢轨斜裂纹的萌生及扩展问题进行分析,得到不同影响参数对钢轨斜裂纹萌生及扩展的影响。本文开展的研究工作以及取得的创新性成果总结如下:(1)建立了轮轨瞬态滚动接触有限元模型,并利用实测的高速铁路波磨数据,研究了车辆经过波磨区的振动响应,通过轮轨力仿真数据与实测数据比对,得出仿真数据与实测数据有较好的一致性,验证了仿真模型的有效性。同时分析了高速车辆在经过简谐波磨区段时的轮轨振动响应,当车速处于200~350km/h的范围内时,车速越高,经过波磨区段时的垂向及纵向轮轨力也越大。在轨枕上扣件处的轮轨力要大于两轨枕间。轮轨摩擦系数对轮轨垂向力及车轮垂向加速度的影响很小。(2)研究分析了重载铁路轨底坡对轮轨接触状态和钢轨斜裂纹萌生的影响。采用LM型车轮踏面、75kg/m型钢轨、1:40轨底坡,得到的裂纹萌生位置与现场观测到的斜裂纹基本一致;轨底坡分别为1:40、1:30、1:20、1:10时,随着轨底坡增大,接触斑位置逐渐由轨顶内侧向轨顶外侧偏移,裂纹萌生时通过总重先增大再降低,1:20的轨底坡可以减缓裂纹的萌生。(3)分析了轮对相对于钢轨发生横移时对裂纹萌生的影响。分析了轮对在无横移、向外横移5mm、横移10mm时,不同摩擦系数及不同轴重对裂纹萌生的影响,向外横移10mm时裂纹容易萌生,在计算范围内,摩擦系数增大、轴重增加裂纹更容易萌生。同时分析了钢轨存在磨耗并且轮轨间为两点接触时对裂纹萌生的影响,采用多体动力学软件将车辆通过曲线路段时的运动姿态,代入有限元模型中进行模拟,得出磨耗后的轮轨接触状态较磨耗前变得更为良好,磨耗后的疲劳参量值远小于磨耗前,说明适度的磨耗可以抑制裂纹的萌生。(4)对于裂纹的扩展问题进行了分析,选用虚拟裂纹闭合法作为裂纹扩展的理论基础,提出了在虚拟裂纹闭合法中采用梁单元计算裂纹尖端节点力的方法,该方法的计算结果与解析解之间的误差较小,有较好的一致性。并且在采用虚拟裂纹闭合法对裂纹尖端非正交网格情况进行分析时,提出了适合采用包络面积法对裂纹前端面积进行计算。(5)分析了重载铁路中钢轨斜裂纹的扩展问题。对钢轨存在平行裂纹的情况进行了分析,得出平行双裂纹的应力强度因子要比单裂纹时的值要小,说明多裂纹相比于单裂纹可以减缓裂纹的扩展。同时,当轮对发生横移,接触斑与斜裂纹相接触时裂纹尖端的应力强度因子要比轮对没有发生横移且接触斑与斜裂纹未接触时的值要大。