车轮作为列车运行过程中最重要的零件,在闸瓦踏面制动状态下闸瓦与车轮踏面的剧烈摩擦,导致车轮踏面表层金属温度在短时间内迅速升高,同时接触面积很小的轮轨接触斑承受列车载重而产生高接触应力,在这样的高温、高接触应力以及热应力等交变载荷作用下,使得车轮踏面表层组织发生金相组织转变形成马氏体白层,而马氏体白层是引起车轮踏面剥离失效的主要因素,加大了轮轨运行系统的安全风险。因此高速重载列车踏面制动过程具有典型的热-机械-组织耦合特性。研究高速重载列车踏面制动过程中热-机械-组织耦合机理,确定闸瓦制动区和轮轨踏面接触区表层马氏体相变机理,定量预测高速重载列车踏面制动过程中制动区和接触区的马氏体白层生长位置以及形状尺寸,对降低车轮非正常剥离失效发生概率、及时预测并排查车轮运行安全隐患具有非常重要的理论和实际意义。本文以高速重载列车踏面制动条件下的车轮踏面为研究对象,考虑了轮轨接触区接触应力、摩擦力以及轮瓦接触区接触应力、摩擦力,并给出了热流密度数学模型,确定了接触区形状、对流换热系数、辐射系数以及瞬态接触换热系数,在此基础上基于Abaqus软件的二次开发功能开发了DFLUX、FILM、DLOAD等子程序。运用Abaqus有限元分析软件,模拟了车轮踏面制动过程,分析了考虑有无钢轨冷却作用,不同轴重、不同减速度、不同初速度工况下车轮踏面上的温度场和热应力场分布情况。根据车轮材料确定了奥氏体转化开始温度、马氏体转变开始温度等,考虑了接触应力对马氏体相变温度的影响,得到了马氏体临界温度与应力的数学模型。根据车轮踏面的微动滑移分布,对车轮踏面的磨损进行了动态的定量预测,考虑踏面磨耗的影响,确定了马氏体白层厚度尺寸。比较了不同轴重下马氏体白层分布情况,建立了不同轴重下马氏体白层深度预测模型。以二维马氏体白层和车轮基体的复合材料接触模型为基础,建立了制动过程中两种材料的热力学模型;根据XFEM法和Cohesive单元,建立了马氏体和基体的损伤模型,对两种材料剥离损伤过程进行仿真模拟。