随着我国经济的高速发展,铁路运输系统也迅猛发展。高速化和重载化是铁路发展的重要趋势,在这种发展情况下,轮轨之间的接触机理变得越发复杂,轮轨之间的接触工况日益恶化。轮轨具有复杂的几何形状并且轮轨之间的接触问题为高度的非线性行为,此前对于轮轨之间的接触问题多基于Hertz接触理论,但是由于Hertz接触理论的局限性,并不能真正的揭示轮轨之间的接触状况。随着大型有限元分析的发展,利用有限元分析软件计算轮轨之间的接触应力能够反映实际情况下的轮轨接触应力,为轮轨问题的研究提供可靠的数值依据。本文根据轮轨之间的接触关系,结合轮轨摩擦学、轮轨接触理论、传热学、弹性力学等理论,利用ANSYS建立了三维轮轨接触有限元模型。车轮和钢轨采用了弹性体假设,选取了不同的轮对轴重载荷,模拟了轮轨在静载状态以及纯滚动工况下轮轨接触斑的形状、面积、接触压力及等效应力变化情况,并对纯滚动工况下摩擦热对轮轨接触斑的形状、面积、接触压力及等效应力的影响做了分析。得出了如下结论:(1)在静载状态下,随着轮对轴重的增大,轮轨接触应力也随之增大,轮轨的接触压力大于Hertz理论计算值。轮轨接触斑的形状大体上为椭圆形,但是由于轮轨型面的影响,在椭圆接触斑附近产生了较小的接触区域。接触斑的面积随着轴重的增加呈线性增加。车轮和钢轨的等效应力呈不规则的环形分布,最大等效应力均出现在接触表面2 mm左右的深度,随着轴重的增加,车轮和钢轨的等效应力也随之增加,增加的幅度相似,车轮和钢轨的最大等效应力值相近。(2)在纯滚动工况下,随着轮对轴重的增大,轮轨接触斑的面积、形状以及车轮和钢轨上的等效应力分布情况与静载条件下类似,接触压力与静载条件下相比略有增大,增大的幅度较小。(3)在摩擦热的作用下,轮对在纯滚动时,轮轨接触斑上的接触压力较无摩擦热作用下相应的减小,最大差值为1.14%,减小的幅度较小。接触斑的面积明显增加,最大增幅为7%。接触斑的形状与无摩擦热影响时相似。(4)在摩擦热的作用下,车轮和钢轨上的等效应力变化较为明显,等效应力的作用区域较无摩擦热时明显变大,影响深度也增加。随着轴重的增加,车轮和钢轨的最大等效应力增大,小于无摩擦热作用时轮轨的等效应力。