自2008年我国第1条高速铁路“京津城际铁路”通车运营以来,中国高铁在拉动经济增长、推动社会进步等方面发挥着越来越重要的作用。与此同时,国内高铁线路里程的持续增长、载客量的不断增大以及列车运营速度的稳步提升,也对车辆运行安全提出了越来越高的要求。轮轨滚动接触疲劳(RCF),作为一种高速铁路运营安全隐患,已然成为当下急需解决的工程实际问题。深入研究轮轨RCF裂纹的萌生和扩展机理并提出合理化的防治措施,对指导工程实践有着重要意义。轮轨系统中,车轮与钢轨处于动态滚动接触状态,施于轮和轨表面的接触力是作用力和反作用力,大小相等,方向相反,故RCF既可能发生在钢轨上,也会在车轮上。本论文专注于高铁线路中发现的“钢轨表面RCF”及“车轮局部滚动接触疲劳(LRCF)”两种典型损伤形式,研究方法包括基于断裂力学的仿真计算分析和基于实验室比例试验的双盘对滚疲劳试验,第一章详细综述了近年来该领域取得的研究进展及存在的不足。目前,国内外针对轮轨疲劳裂纹扩展的分析模型中,大多依然采用移动载荷法来模拟滚动接触边界,即将移动的Hertz接触载荷边界施加于轮轨接触表面上。该方法的缺点是,不能将滚动过程中由裂纹处材料不连续所导致的瞬态接触载荷变化考虑在内。第二章以钢轨疲劳裂纹在滚动接触载荷下的瞬态扩展模拟为研究目标,采用ANSYS/LS-DYNA建立了钢轨斜裂纹扩展分析模型,其中裂纹载荷边界通过三维轮轨滚动接触算法施加,突破了以往研究中由稳态、简化接触载荷边界带来的局限性。第三、四章利用上述模型,模拟了车轮以300 km/h速度滚滑通过多斜裂纹时的裂纹瞬态扩展行为。在此,假设各裂纹呈等间距、平行分布,且每条裂纹的裂纹面完全相同。鉴于现场观测,斜裂纹在接触表面的扩展角度取典型值30°,长深比固定为常见值5,接触面内的裂纹长度和裂纹间距分别在10~20 mm和5~20 mm间变化。得出的主要结论如下:(1)裂纹的存在会降低轮轨间法、切向接触刚度,且其降低量随裂纹数量的增多而增大;(2)本文未考虑现场中液体的不可压缩性对裂纹张开型扩展的影响,加载过程中,裂纹始终处于闭合状态,这意味着本文模拟的RCF裂纹主要以滑开型(II型)模式进行扩展;(3)多条相同斜裂纹共存时,其裂尖节点的节点力低于相同网格的单裂纹工况,同时,裂纹尖端附近节点的相对位移因接触区域整体刚度的降低而增加,最终使得裂尖应力场强度因子(SIF)随裂纹数量的增多而增大;(4)对于特征尺寸(长度)15 mm的多裂纹,当裂纹间距大于5 mm时,3裂纹模型足以将裂纹间的相互影响精确考虑在内;(5)当裂纹间距大于裂纹特征尺寸时,多裂纹模型的SIF计算结果与单裂纹模型的差异在7%以内,即可采用简化的单裂纹模型进行计算。近年来引起业界广泛关注的车轮LRCF,其萌生主因在各方面努力下得以初步确定为车轮硌伤,但限于定性描述,尚未在试验内得以重现。第五章采用GPM-30滚动接触疲劳试验台,开展了双盘对滚疲劳试验,采取不同的加工方式对车轮试验盘接触表面施加了3类初始人造损伤,在由真实轮轨切割出来的试样上再现了由接触面硌伤萌生LRCF的过程。试验结果表明,采用维氏硬度计及电火花加工的初始损伤因塑性变形太小和缺失而不会萌生LRCF,而由丝锥在机床上塑性加工的方式所施加的深硌伤可能会导致LRCF萌生,其临界深度约为0.2 mm。综合来看,LRCF的萌生由硌伤产生过程中的材料塑性变形和硌伤几何的尖锐程度共同决定。最后,对论文的主要工作进行总结并作出展望。