我国高速铁路建造技术已达到世界一流水平,但在运营安全和长期服役性能等方面仍面临巨大挑战。因轮轨高速、高频、反复的冲击和振动,涌现出了众多无砟轨道异常病害问题。轨道病害与高速铁路运营条件下轮轨接触状态密切相关,为掌握列车高速运动状态下轮轨接触状态与轨道结构服役病害的相互关系,进而对高速铁路服役能力准确评估。本文依托国家自然基金“基于高精度结构光的高速铁路轮轨动态接触姿态检测系统”项目,基于车辆-轨道耦合动力学、多体动力学、有限元等相关理论,根据不同轨道病害类型分别建立相应的车辆-无砟轨道动力学分析模型。仿真计算了四种典型轨道服役病害下轮轨接触姿态参数的变化规律,进一步结合高速车辆安全运行分析,得到了不同接触姿态参数的安全限值,最后给出了基于轮轨接触姿态信息的轨道服役病害识别方法。主要内容如下:（1）建立了考虑轨道短波病害和中长波病害的车辆-轨道耦合动力学精细化模型对于轨道短波服役病害,基于有限元理论建立三维高速轮轨瞬态滚动接触细观有限元模型,用于精确求解钢轨焊缝和波磨病害下的轮轨接触姿态信息。对于轨道中长波服役病害,基于多体动力学理论建立车辆-无砟轨道宏观动力学分析模型,用于仿真计算轨道板离缝和上拱病害下轮轨接触姿态信息。（2）研究了高速铁路短波服役病害对轮轨接触姿态的影响规律高速铁路钢轨焊缝病害对轮轨接触姿态影响规律:焊缝波长一定时,轮轨垂向力、接触斑面积、接触斑纵轴长、轮对沉浮量、轮对侧滚角等参数随着焊缝波深的增大而近似呈线性增大;轮轨接触斑面积与轮轨垂向力的变化规律具有良好的一致性,一侧焊缝病害对另一侧轮轨接触状态影响较小。焊缝波深一定时,接触斑面积、接触斑纵轴长随着焊缝波长的增大而减小;轮对沉浮量、轮对侧滚角等参数随着焊缝波长的增大而近似呈线性增大。高速铁路钢轨波磨病害对轮轨接触姿态影响规律:波磨侧接触斑面积及纵轴长随着波磨几何呈现出周期性波动,一侧波磨病害对另一侧接触状态影响较小。波磨波深一定时,轮轨力、接触斑面积在波磨波长为80mm达到最大。波磨波长一定时,轮轨力、接触斑面积、接触斑纵轴长均随着波深的增大而近似呈线性增大。（3）研究了高速铁路轨道中长波服役病害对轮轨接触姿态的影响规律高速铁路轨道板离缝病害对轮轨接触姿态的影响规律:离缝长度一定时,轮轨垂向力、轮对沉浮量、钢轨垂向动位移、接触斑面积、接触斑纵轴长均随着离缝量的增大而增大;接触斑面积、接触斑纵轴长变化规律与轮轨力的变化规律一致;轮对沉浮量、钢轨动位移随着离缝量的增大呈现出较强的线性变化规律。轨道板离缝深度一定时,轮轨垂向力、轮对沉浮量、钢轨垂向动位移、接触斑面积、接触斑纵轴长均在离缝长度为两块板时达到最大;轮对沉浮量、钢轨动位移沿轨道纵向的变化范围与离缝波长基本一致。高速铁路轨道板上拱病害对轮轨接触姿态的影响规律:当上拱范围一定时,轮轨垂向力、接触斑面积、接触斑纵轴长均随着上拱量的增大而增大;钢轨垂向动位移的峰值随着上拱量的增大而近似呈线性增大。当上拱量一定时,轮轨垂向力、接触斑面积、接触斑纵轴长均随着上拱范围的增大而增大;由于板底离缝闭合的影响,上拱范围较大时,轮对沉浮量变化不明显;钢轨垂向位移峰值随着上拱范围的增大而增大,垂向位移沿轨道纵向的分布能够反映上拱范围大小。（4）研究了基于轮轨接触姿态信息的轨道安全评估及病害识别方法基于不同轨道病害下列车安全性指标的变化规律和轮轨接触姿态分析结果,轨道板最大离缝量和上拱量不宜超过8mm;钢轨焊缝波深最大值不能超过0.2mm;应及时整治80mm波长波磨病害,波磨波深应控制在0.1mm以内。根据不同姿态参数与轮重减载率的对应关系,接触斑面积变化率不能超过0.5;接触斑纵轴长变化率不能超过0.3;轮对沉浮量的安全限值为9.6mm;钢轨垂向位移的安全限值为10mm。基于接触姿态的轨道病害识别方法:对于离缝病害,可根据轮对沉浮量和钢轨动位移的变化规律分析病害特征参数;对于上拱病害,应用钢轨动位移的变化规律能够较为直观的评估;对于焊缝病害,根据接触斑面积频率带宽分析其波长大小,进而根据接触斑面积与焊缝波深的对应关系识别其波深大小;对于波磨病害,根据接触斑面积主频分析其波长大小,进而通过接触斑面积与波磨波深的对应关系判断其波深大小。