随着城市人口的增加,国内大城市出现交通拥堵,城市轨道交通以快速、环保、经济等优点得以迅速发展。目前,我国地铁制动系统仍采用踏面制动,踏面制动可以给车轮不圆修形,但同时也带来一些危害,踏面制动会将车辆的动能转化为热能并传入车轮,使车轮出现热损伤。车轮作为地铁车辆的重要走形部件,其可靠性直接关系车辆的安全运行。因此,车轮踏面制动热负荷仿真分析是非常有必要的。本文以某地铁车辆为研究对象,基于传热学和断裂力学理论,利用热力耦合有限元方法计算分析了闸瓦制动下车轮的温度场和应力场分布情况和制动热对踏面表面热裂纹的影响。首先,利用商业有限元软件ANSYS建立了考虑材料属性随温度变化的地铁车轮三维有限元模型。计算分析了新轮和磨耗到限车轮在三次连续紧急制动、正常运营制动和往返运营制动工况下车轮热容量,并评价车轮踏面在此工况下是否满足热损伤要求。分析结果表明:列车运行时速80 km/h条件下,仅考虑空气制动(即纯踏面摩擦制动)时,连续三次紧急制动、正常运营(单程)制动条件和往返运营制动条件下,新轮和磨耗到限车轮均满足踏面最高温度要求和车轮踏面损伤要求。其次,采用ANSYS建立了地铁车轮热力耦合三维有限元模型,考虑踏面制动引起的热应力以及机械载荷波之间叠加,仿真计算新轮在一次紧急制动下车辆分别通过直线、曲线和道岔三种情况下车轮辐板的应力场响应,分析车轮辐板应力较大位置产生的原因,最后采用Haigh-Goodman疲劳极限与车轮动态应力幅值评价方法来评价车轮的疲劳强度。结果表明,在机械载荷和热机耦合两种工况下,车轮辐板的疲劳强度均满足要求,但制动热载荷的加入使得车轮辐板更容易疲劳。在直线、曲线和道岔三种工况下,车轮辐板疲劳在过道岔时更显著,其次是直线,最后是曲线。最后,建立车轮踏面带有热裂纹的踏面制动热负荷有限元模型,模型中考虑材料热物理性能随温度变化的影响。研究新轮在一次紧急制动下制动热对踏面热裂纹的影响,分析了踏面与闸瓦接触面积、轴重、踏面磨耗对热裂纹尖端应力强度因子的影响。分析结果表明:1)车轮踏面与闸瓦的接触面积对踏面热裂纹扩展的影响非常显著;2)轴重对热裂纹扩展也有较大的影响;3)车轮踏面磨耗对热裂纹扩展也有一定影响,磨耗到限车轮比新轮的应力强度因子最大增加21%。