近年来国内高速铁路建设得到迅速发展,“四纵四横”高铁运输网络已经基本形成。为保证铁路运输安全,对运行铁路线路的维护变得尤为重要。传统钢轨探伤方法检测速度慢、效率低,不能完全满足现有铁路检测中长距离、大范围、高精度的需求。超声导波具有传播距离远、检测效率高等特点,在钢轨检测中优势明显。本文对超声导波在钢轨无损检测中的应用展开研究,主要研究内容为:(1)对比分析模态分析法和二维傅里叶变换法在计算波导频散曲线中的特点。以平板为研究对象建立有限元模型,分别使用模态分析法和二维傅里叶变换法进行计算,计算结果与解析法结果对比。结果表明,对结构进行模态分析和对导波时域信号进行二维傅里叶变换均能计算超声导波的传播特性。此外,在模态分析结果中可以得到各模态的波结构信息,在二维傅里叶变换结果中可以得到各模态导波的能量分布。(2)研究在不同位置处激励钢轨时,各模态超声导波的传播特性。使用模态分析法计算钢轨的频散曲线,并分析各模态导波的波结构。在钢轨轨头、轨腰、轨底位置处分别激励和接收,使用二维傅里叶变换法计算产生超声导波频散特性和能量分布。两种方法结果对比可分析出在钢轨轨头、轨腰、轨底位置处激励时,各模态超声导波的传播特性。并根据提出的模态评价因素对各模态导波的传播特性进行评价。(3)使用锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)元件对钢轨中超声导波的传播特性进行实验研究。主要研究在轨头、轨腰、轨底激励超声导波的幅值、群速度和相速度,并与仿真结果进行对比,分别选择了GT-S1模态、GY-A1模态和GD-A2模态作为在轨头、轨腰和轨底处检测时的目标导波模态。(4)在钢轨轨头、轨底位置处预制横向直裂纹,根据损伤位置选择目标模态的超声导波进行检测。研究结果表明,使用穿透法进行检测时,裂纹会导致目标模态导波的幅值变小。在轨头裂纹(横向通透、垂向深度10mm、纵向宽度约2mm,损伤面积约占轨头面积的20%)两侧0.3m处和0.6m处布置探头时,幅值降低分别为33.5%和23.1%;在轨底裂纹(横向深度约23mm、垂向深度约10mm、纵向宽度约2mm,损伤面积约占轨底面积的15%)两侧0.3m和0.6m处布置探头时,幅值降低分别为69.7%和58.6%。