精确预测高频动力作用下的轮轨相互作用和瞬态滚滑行为一直是轮轨关系研究的基础也是该研究领域的难题之一。针对轮轨高频动力作用问题,传统上多采用动力学方法,该方法计算时间成本低但在高频动力条件下的计算精度不足。近年来,虽然基于显式有限元方法的高速轮轨瞬态滚动接触有限元模型已逐渐成熟,可适用于轮轨高频动力作用的计算,但计算成本过高,很难应用于大批量或实时分析。本论文建立了基于显式有限元的三维高速轮轨瞬态滚动接触有限元模型和基于多体动力学的车轮—轨道耦合动力学模型和车辆动力学模型,详细对比了三种模型在典型短波波磨激励下的动态法向接触力预测结果,提出了适用于车轮—轨道耦合动力学模型的法向接触修正模型,在保持计算成本不变的前提下,提高其高频法向接触力预测精度。第一章首先综述了国内外轮轨滚动接触理论的发展现状,详细介绍了轮轨接触模型的最新研究进展,阐述了动力学模型与瞬态滚动接触有限元模型在分析轮轨滚动接触方面的优缺点,阐明了改进车辆—轨道耦合动力学模型中法向接触模型的必要性。第二章详细介绍了本论文所建立的三个分析模型,具体包括基于显式有限元的三维高速轮轨瞬态滚动接触模型和基于多体动力学的车轮—轨道耦合动力学模型以及车辆动力学模型。因本论文重点关注轮轨接触模型,模拟了严格意义上的Hertz型接触(即动力学模型中Hertz弹簧的适用工况),且在建模过程中大大简化了与接触无关的结构与部件,既降低计算成本,也杜绝了过多结构振动对轮轨接触力结果的干扰,有利于对比接触模型的影响。为保证可比性,轮轨几何、质量及悬挂或支撑条件等在各模型中均保持一致。具体模型特点:(1)瞬态滚动接触模型考虑了真实三维接触体的几何形状、弹性变形和结构、连续性振动,以及接触界面上的三维短波波磨不平顺,与滚动相关的自旋和陀螺仪效应自动包含其中,优点是计算精确,缺点是计算成本高;(2)车轮—轨道耦合动力学模型,将车轮表征为刚性体,钢轨为铁木辛柯梁,考虑轨道参振,优点是计算成本低,缺点是高频条件下计算精度下降;(3)车辆动力学模型与车轮—轨道耦合动力学的差异在于其不考虑钢轨的振动。第三章中,针对Hertz接触工况,详细对比了典型钢轨短波波磨(波长20~140 mm、波深0.01~0.20 mm)激励和150~500 km/h速度条件下上述三种模型预测的高频法向接触力结果。发现,相比瞬态滚动接触模型,两种动力学模型高估了波磨激励的接触力,且未考虑钢轨弹性的车辆动力学模型高估量更大。就所考虑的工况(波磨波长30~140mm、波深0.01~0.2 mm、速度150~500 km/h)而言,车轮—轨道耦合动力学模型与车辆动力学模型相对于瞬态滚动接触模型的最大高估量分别为静轮重的46.6%和76.7%。对于不发生轮轨脱离的浅波磨而言,三种模型预测法向接触力幅值均与波磨波深线性相关,待波深增至发生轮轨脱离以后,高频法向接触力幅值随波深变化的斜率逐渐降低。此外,接触力相位相对于波磨几何存在滞后。第四章详细分析了瞬态滚动接触模型和车轮—轨道耦合动力学模型预测的高频法向接触力幅值随波磨波长、波深、速度和激励频率的变化,对比了两模型预测结果的差异。发现,当波磨波长与滚动速度同步变化(即激励频率保持不变)时,车轮—轨道耦合动力学模型预测的高频法向接触力不变,而瞬态滚动接触模型的结果存在不可忽略的差异。以精度更高但计算成本过高的瞬态滚动接触模型结果为基准,修正了车轮—轨道耦合动力学模型中的法向接触模型(Hertz弹簧),提高其高频法向接触力预测精度。第五章中,对比了采用修正法向接触模型的车轮—轨道耦合动力学模型和瞬态滚动接触模型的预测结果,并就其法向接触力预测结果的差异开展了误差分析。发现,就本文所分析绝大多数工况而言,修正后的耦合动力学模型预测结果的绝对误差在-15~10 kN之间,平均相对误差为4.21%;但对于耦合动力学模型中轮轨接触共振频率(601 Hz)附近的振动,最大相对误差可达36%(绝对误差-14 kN)。最后对本文研究内容进行了总结和展望。