随着我国铁路运输朝着高速重载方向快速发展,钢轨伤损急剧增加、使用寿命严重下降,钢轨亚表面由于疲劳裂纹引起的钢轨失效问题普遍存在,而现阶段对钢轨亚表面疲劳裂纹扩展行为及剩余寿命评估基础理论仍不完备。本文基于损伤容限理论,借助有限元软件ANSYS及FRANC3D,对U71Mn焊接钢轨亚表面抗疲劳裂纹扩展能力进行了详细探讨。论文主要研究工作包括:建立了含裂纹体的轮轨三维有限元模型,对钢轨亚表面疲劳裂纹扩展行为进行了计算分析。结果发现,轮轨接触载荷下钢轨亚表面疲劳裂纹扩展是以Ⅱ型滑移为主导的Ⅱ+Ⅲ复合型共面剪切扩展模式,Ⅰ型应力强度因子对裂纹扩展不做贡献;初始裂纹参数（角度、深度、尺寸）对钢轨亚表面疲劳裂纹扩展具有显著影响:45°是最危险的初始裂纹倾斜角度,此角度下裂纹扩展最快,剩余寿命最短;在踏面以下20mm深度范围内,初始裂纹距踏面越远,则裂纹扩展速率越小,剩余寿命越长。并且初始裂纹距踏面深度小于10mm时,裂纹扩展寿命达到高周疲劳范畴,而处于10-20mm深度范围内裂纹扩展寿命属于超高周疲劳范畴;当初始裂纹直径分别为2mm、3mm、4mm时,随初始裂纹尺寸的增大,裂纹扩展速率值增大,剩余寿命缩短;初始裂纹参数（角度、深度、尺寸）对裂纹扩展的影响,本质上是对裂纹起始扩展驱动力的影响,起始裂纹扩展驱动力越大,裂纹扩展越快,扩展寿命越短。针对直线与曲线两种工况,新轮新轨、新轮磨耗轨和磨耗轮磨耗轨三种典型轮轨匹配形式,分别进行了钢轨应力场与疲劳裂纹扩展计算分析。结果表明,直线工况下新轮新轨匹配时钢轨亚表面等效应力水平最低,裂纹扩展驱动力最小,裂纹扩展最慢,扩展寿命最长,即钢轨亚表面抗疲劳裂纹扩展能力最强;曲线工况则不同,在磨耗轮与磨耗轨匹配条件下钢轨亚表面应力水平最低,裂纹扩展最慢,扩展寿命最长,即其抗疲劳裂纹扩展能力最好。因此,直线工况运行时更适合新轨型面,应尽可能通过打磨使钢轨恢复至标准型面;而曲线工况更适合磨耗轨型面运行,该路段型面设计也应参考实际路段磨耗稳定期钢轨型面。建立了焊接钢轨三维有限元模型,计算获取了钢轨焊接残余应力分布,并与轮轨接触载荷进行了耦合计算,得到了焊接残余应力与轮轨接触应力并存的耦合场应力分布。通过在焊接钢轨亚表面引入初始裂纹开展了计算分析,并与无焊接残余应力裂纹扩展结果进行了对比,发现焊接残余应力对钢轨亚表面裂纹扩展方式无显著影响,但对裂纹扩展路径、扩展寿命和扩展速率具有较大影响,有焊接残余应力时裂纹扩展路径发生变化,裂纹扩展寿命缩短,扩展速率增大。