钢轨作为承载列车运行的基础,其安全性对于车辆运营的安全有着至关重要的作用。如何及时的发现钢轨损伤,保证运营安全,成为铁路无损检测的研究重点。考虑到超声导波由于传播距离远,检测效率高等优点,对钢轨检测具有一定的优势,因此,本文基于超声导波对钢轨缺陷进行检测研究。(1)基于半解析有限元法实现了钢轨中超声导波传播的频散分析。通过查阅大量文献,根据半解析有限元法求解任意横截面波导介质中超声导波频散曲线的原理,利用MATLAB编程自主实现了半解析有限元算法。同时,根据求解结果,并对导波模态的振型模式、应力状态下导波的频散特性、激励响应进行分析,得到了钢轨中不同导波模态的传播规律和特性,为钢轨的缺陷检测提供了理论上的支撑。(2)实现了导波激励信号参数、导波模态、激励位置的优选。针对钢轨中导波传播的频散特性,通过频散系数和信号波包持续时间实现模态导波检测频段和激励信号周期的选择,引入振型系数和振型敏感因子实现可用于检测的导波模态的选择;同时利用激励定位算法实现快速定位可用于检测模态激励位置;最后,通过建立钢轨的三维有限元模型进行验证,结果表明该方法能够快速的对超声导波的检测频率、激励周期、可用于检测的模态、激励位置进行选择,提高了工程实际应用的效率。(3)利用有限元分析软件ANSYS建立了轨头、轨腰缺陷检测的超声导波三维模型,研究了缺陷的纵向长度、倾角、深度、横截面积的变化与导波反射系数和透射系数之间的关系,为缺陷的定量化评估提供参考。同时,考虑空气耦合超声导波检测技术的发展,建立了基于空气耦合的超声导波钢轨检测的三维模型,采用波透射检测法,模拟了表面波在钢轨轨头中的传播特性,同时通过模拟不同的缺陷,对缺陷信号特征进行分析,为缺陷的定量化评估提供理论上的依据。