高速铁路显著缩短了出行时间，为旅客出行带来极大方便，我国已经具备高速铁路列车的自主研发和产业化生产能力，然而就其关键走行部件——车轮而言，目前主要依赖进口，这一问题影响并制约我国高速列车的国产化程度。研究和开发具有自主知识产权的动车组车轮，实现动车组车轮自主创新和国产化，对于降低车轮采购和运用检修成本、优化铁路资源配置等具有重要意义。开展动车组车轮疲劳性能数值仿真和评定方法研究是动车组车轮自主创新的关键环节，车轮服役性能与轮型设计、材质性能、热处理工艺、轮轨匹配及踏面伤损等诸多因素有关，是众多因素共同作用下的车轮综合表现；需要从车轮疲劳强度、热处理残余应力、轮轨接触强度、轮辋裂纹及其损伤容限等方面开展研究，分析各因素对车轮性能的影响。结合辐板裂纹萌生的物理特性和辐板表面应力特点，提出了以全尺寸车轮弯曲疲劳极限表征疲劳强度极限状态的主应力法和Crossland准则，并将二者结合提出了一种动车组车轮疲劳强度评定方法。在测试实物力学性能基础上拟合了车轮辐板S-N曲线和ε-N曲线，结合应力准则、应变准则、能量准则等3类准则和4个典型动车组车轮轮型开展了评定方法适用性分析。新方法评定效果的稳定性较强，适用于各型动车组车轮的疲劳强度评定，易于编程，适合工程应用。结合理论推导和试验，给出了车轮热处理模型中强制对流系数、相变潜热等关键参数的确定方法。建立了CRH5型动车组车轮整个热处理过程的温度场、应力场数值仿真模型，通过与实测温度和残余应力比较，对模型的正确性和可靠性进行了验证。首次定量给出了热处理残余应力和踏面镟修量的关系，以及二者对辐板疲劳强度的影响。分析发现，车轮热处理产生的残余应力有利于提高轮轨接触疲劳寿命，以CRH5-XP55车轮为例，热处理残余应力提高接触疲劳寿命的计算值约3倍以上。在实测真实应力-应变曲线、疲劳数据的基础上建立了弹塑性轮轨接触有限元模型和疲劳分析模型，开展了相关仿真计算。研究表明，具有良好轮轨接触几何关系的车轮踏面，一般也具有良好的轮轨接触应力分布规律和接触疲劳性能，综合考虑轮轨接触几何、等效锥度、强度薄弱点位置以及轮轨接触疲劳等性能指标，LMA踏面的综合性能最优。车轮轮型对接触疲劳寿命也有一定程度的影响，采用低径向刚度车轮可以在一定程度上提高轮轨接触疲劳强度。提出了一种塑性应力强度因子修正方法，并应用于轮辋裂纹损伤容限分析。提出了基于解析解的轮辋浅层裂纹的应力强度因子计算方法。结合有限元子模型技术和自适应网格划分技术，建立了轮辋内部埋藏型裂纹的任意三维裂纹扩展仿真模型。研究表明，直径不大于1mm的圆形面片裂纹对应的应力强度因子小于裂纹扩展门槛值，因此裂纹不会扩展。轮辋埋藏裂纹趋近于踏面表面时，裂纹耦合面趋近圆形；而裂纹远离踏面时，裂纹耦合面形状趋近椭圆并以车轮运行方向为长轴。在动车组的轴重范围内，轮辋内部萌生的裂纹扩展到一定尺寸后，裂纹深度对裂纹扩展速率的影响不显著。