随着我国铁路运输重载化和高速化进程不断推进,轮轨损伤成为轮轨关系研究中亟待解决的主要科学和工程问题。轮轨滚动接触疲劳作为一种主要的轮轨损伤形式,直接影响列车运行安全性与平稳性,但其形成原因和演化机理还不够明确,有关防控措施还不够完善。因此,本文采用有限元模拟方法,研究了轮轨滚动接触疲劳裂纹萌生和扩展特性以及滚动接触疲劳与磨耗的竞争关系,主要内容如下:（1）考虑了轮轨系统的几何非线性、材料非线性和接触非线性,基于ABAQUS软件建立了三维轮轨滚动接触有限元模型,模拟了轮轨稳态滚动接触行为,得到了不同列车速度下轮轨滚动接触弹塑性应力仿真解,并基于等效移动载荷法将稳态接触载荷分别施加在车轮和钢轨有限元模型上,验证了等效方法的可行性。结果表明,不同列车速度下得到的稳态接触力基本一致,但需要长时间的动态松弛来保证轮轨接触力的收敛;等效移动载荷法能较好地模拟轮轨滚动接触,可适用于滚动接触疲劳裂纹萌生及扩展研究。（2）基于等效移动载荷法和Jiang-Sehitioglu多轴疲劳裂纹萌生寿命预测模型,利用轮轨目标面各节点裂纹萌生最大损伤参量FPmax预测了裂纹萌生位置、角度和寿命,阐述了轮轨滚动接触疲劳裂纹萌生的主要原因,讨论了轮轨表面摩擦系数和牵引系数对疲劳裂纹萌生的影响。结果表明,疲劳裂纹萌生主要由剪应力/应变引起;车轮无摩擦自由滚动状态下,疲劳裂纹萌生位置在轮轨表面以下2 mm附近,此处疲劳损伤值最大;纯滑动及滚滑状态下,随着切向力的增大,轮轨疲劳损伤值逐渐增大,疲劳裂纹萌生寿命不断减小,裂纹萌生位置也逐渐趋于轮轨表面。（3）基于弹塑性断裂力学理论和有限元仿真,开展了轮轨三维表面裂纹弹塑性扩展行为研究,分析了裂纹尖端应力/应变、裂纹面间接触力、裂纹扩展速率等典型的疲劳裂纹扩展特性,讨论了裂纹面摩擦系数、裂纹长度、轮轨表面摩擦系数和牵引系数对轮轨滚动接触疲劳裂纹扩展特性的影响。结果表明,移动载荷经过裂纹时裂纹尖端附近会形成较大的塑性区,轮轨接触表面以下最深裂尖处扩展速率最大;裂纹面摩擦系数的减小及裂纹长度的增加会加速疲劳裂纹的扩展;在法向与切向移动载荷共同作用下轮轨疲劳裂纹扩展类型为Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹,疲劳裂纹扩展速率随摩擦系数和牵引系数的增大而增大。（4）基于Archard磨耗模型,推导了车轮和钢轨表面磨耗速率的计算公式,探讨了轮轨滚动接触疲劳与磨耗的竞争关系,分析了不同牵引系数、轴重和裂纹摩擦系数下磨耗对轮轨滚动接触疲劳裂纹扩展速率的影响。结果表明,轮轨表面的磨耗速率与移动载荷的黏滑分布、法向载荷和轮轨材料硬度等因素有关;轴重的减小、牵引系数和裂纹面摩擦系数的增大都会加强轮轨疲劳裂纹扩展与磨耗的竞争关系。本文开展了轮轨滚动接触疲劳裂纹萌生与扩展特性的有限元仿真研究,阐明了关键参数对轮轨滚动接触疲劳裂纹萌生及扩展的影响,揭示了磨耗对疲劳裂纹扩展速率的影响规律,可为高速轮轨系统优化设计及列车安全服役提供一定的技术支持。