随着社会经济的发展,铁路以其经济、快速等优点成为人们出行的重要交通方式。铁轨作为铁路的重要组成部分,在铁路的安全运行方面承担着至关重要的责任。现有的钢轨探伤车检测速度慢,效率低,随着铁路系统的日益扩大,探伤车检测方法也逐渐难以满足大量且频繁的检测需求。因此,具有传播距离远、检测范围广的超声导波检测技术受到越来越多的关注。本文提出一种新方法分析钢轨中导波的频散特性以及波结构,并通过有限元仿真导波缺陷检测,主要内容有:(1)提出基于半解析等几何分析方法计算导波频散的SIGA频散方程。成功应用此方法获得了钢轨中的频散曲线、波结构。分析了钢轨中前四阶模态和其他主要模态在传播过程中的能量分布,基于此选取适合的激励方式与频率。(2)采用有限元软件ABAQUS建立三维有限元模型,仿真钢轨中导波的传播,根据各模态的波结构分析采取不同的激励方式进行仿真,通过信号的距离与时间差计算模态的速度,与采用等几何分析方法计算出的群速度相对误差在5%以内;且模拟了20KHZ下导波的主要模态,并基于此进行轨头缺陷的检测,成功地进行了缺陷定位,与真实位置相对误差为1.05%。(3)基于更新的拉格朗日增量理论,推导了初应力波导结构的SA-SIGA频散方程,分析不同应变率对钢轨中导波频散的影响。(4)针对开放波导中导波传播过程的能量泄漏问题,引入完全匹配层技术,与等几何分析方法相结合,给出SIGA-RPML的频散方程,求解位于半空间上的钢轨中导波的泄漏模与传播模,为导波检测技术的应用提供参考。