无缝钢轨消除了轨缝,减少了轮轨冲击,被广泛应用于高速铁路、地铁、重载铁路等各种轨道交通系统中。在温度变化时,无缝钢轨由于不能自由伸缩而产生纵向温度应力,过大的纵向温度应力会引发胀轨跑道、钢轨断裂等现象的发生,严重影响铁路的安全运营。无缝钢轨在长期服役过程中面临十分复杂的环境,经历交变的温度和应力作用以及磨损、打磨等带来的外形变化,目前仍然缺少方便可行的无缝钢轨纵向温度应力精确检测方法。针对这个难题,论文开展了基于多模态超声导波的无缝线路钢轨纵向温度应力估计算法研究。论文系统分析了复杂服役环境对钢轨超声导波传播特性的影响规律,提出了基于多模态超声导波相速度测量的服役钢轨纵向温度应力估计算法,为服役钢轨纵向温度应力检测技术的工程应用打下了良好的基础。论文包括以下主要内容:首先,论文针对复杂服役环境下的无缝钢轨,分析了应力、杨氏弹性模量、剪切模量和钢轨磨耗对钢轨超声导波传播特性的影响规律,提出了适用于服役钢轨纵向温度应力检测的超声导波模态组合选取方法。该方法可以针对服役中钢轨的特点,提升基于超声导波的纵向温度应力检测方法的性能,为下一步实现高精度的服役钢轨纵向温度应力估计提供了理论依据。其次,针对服役钢轨材料弹性常数的时变问题,论文提出了基于弹性常数反演的两阶段服役钢轨纵向温度应力估计方法。首先以多模态超声导波相速度匹配为核心,结合模拟退火算法和Nelder-Mead单纯形法,反演得到了服役钢轨的真实材料弹性常数。以此为基础,利用单模态超声导波实现了服役钢轨纵向温度应力的估计。仿真研究结果表明,该算法的应力估计误差不大于4 MPa。针对运营线路重点关注区域的服役钢轨,该方法仅需利用多个导波模态进行一次服役钢轨材料弹性常数的反演,便可利用单个导波模态实现该区域多个位置的纵向温度应力快速检测。然后,针对基于弹性常数反演的服役钢轨纵向温度应力估计方法流程较为复杂,不适用于线路大范围稀疏位置的快速普查问题,为进一步简化超声导波应力估计算法的复杂度,论文提出一种基于改进遗传算法(Improved Genetic Algorithm,简称IGA)和迭代加权最小二乘法(Iterative Weighted Least Squares,简称IWLS)的单阶段服役钢轨纵向温度应力估计算法。该算法只需要测量服役钢轨轮廓和多个导波模态的相速度作为输入,然后利用IGA实现温度应力和杨氏弹性模量的粗估计,最后利用IWLS实现钢轨纵向温度应力的精确估计。为了验证基于IGA-IWLS的多模态超声导波服役钢轨温度应力估计算法的鲁棒性和适用性,论文开展了测量误差影响下的多工况数值仿真验证研究。并对IGA、IWLS和IGA-IWLS三种算法的应力估计结果进行了对比。仿真结果表明,基于IGA-IWLS的服役钢轨纵向温度应力估计算法可以实现不同工况下的服役钢轨温度应力的准确估计,应力估计误差小于3 MPa。该算法无需对服役钢轨弹性常数进行估计,并且拥有较大应力估计范围和快速收敛的特性。最后,针对提出的服役钢轨纵向温度应力估计算法在实际检测过程中的具体应用方案,开展了服役钢轨纵向温度应力检测方法研究和有限元仿真验证。论文提出了适用于钢轨在线检测条件的超声导波单一模态激励方法,并采用阻尼递增法建立了具有吸收边界的服役钢轨三维有限元模型,实现了检测方法在长距离无缝钢轨模型上的仿真验证。服役钢轨弹性常数反演方法的仿真验证表明,多工况下的服役钢轨材料弹性常数反演的最大相对误差小于3%。服役钢轨纵向温度应力的加载仿真测试表明,应力估计误差小于4 MPa。通过有限元仿真验证,全面探索了超声导波服役钢轨应力检测方法在应用中所面临的问题,为该方法实现工程应用打下了良好的基础。