Sachverhalt:
A.
Das Obergericht des Kantons Zürich sprach X._ am 17. November 2014 in Bestätigung des Urteils des Bezirksgerichts Pfäffikon vom 12. November 2013 der Vergewaltigung schuldig. Es verurteilte ihn unter Berücksichtigung der rechtskräftigen erstinstanzlichen Schuldsprüche wegen mehrfacher Drohung und Tätlichkeiten zu einer Freiheitsstrafe von 36 Monaten sowie einer Busse von Fr. 400.--. Es ordnete eine stationäre therapeutische Massnahme im Sinne von Art. 59 StGB an und entschied über Zivilforderungen.
Das Bundesgericht hiess die Beschwerde in Strafsachen von X._ am 1. Juni 2015 gut und wies die Sache zur neuen Entscheidung an die Vorinstanz zurück, mit der Aufforderung, A._ sei persönlich einzuvernehmen (Verfahren 6B_1251/2014).
B.
Mit Urteil vom 26. Oktober 2015 sprach das Obergericht X._ wiederum der Vergewaltigung schuldig und verurteilte ihn unter Berücksichtigung der rechtskräftigen Schuldsprüche zu einer Freiheitsstrafe von 36 Monaten sowie einer Busse von Fr. 400.--. Es ordnete eine stationäre therapeutische Massnahme an und entschied über Schadenersatz- sowie Genugtuungsbegehren.
Hinsichtlich des Schuldspruchs wegen Vergewaltigung erachtet das Obergericht zusammengefasst folgenden Sachverhalt als erwiesen:
X._ stiess die gehbehinderte A._ am 26. August 2012 in einer öffentlichen Toilette auf die WC-Schüssel und zog ihr Hose sowie Unterhose herunter. Daraufhin stiess er sie auf den Boden, hielt sie an den Schultern fest, beugte sich über sie und drang gegen ihren Willen mit seinem Penis vaginal in sie ein. Als sich A._ wegdrehen konnte, packte X._ sie erneut und drang anal in sie ein.
C.
X._ beantragt mit Beschwerde in Strafsachen, das Urteil des Obergerichts sei vollumfänglich aufzuheben und die Sache zur neuen Beurteilung an dieses zurückzuweisen. Das Obergericht sei anzuweisen, eine vollständige gerichtliche Einvernahme von A._ durchzuführen und sie aussagepsychologisch begutachten zu lassen. Eventualiter sei er vom Vorwurf der Vergewaltigung freizusprechen und zu einer Freiheitsstrafe von vier Monaten zu verurteilen. Es sei eine ambulante Massnahme anzuordnen, die Zivilforderungen seien abzuweisen und es sei ihm eine Genugtuung zuzusprechen. Er ersucht um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung.
Erwägungen:
1.
Der Beschwerdeführer wendet sich gegen die vorinstanzliche Sachverhaltsfeststellung und Beweiswürdigung. Er rügt eine Verletzung von Art. 3 Abs. 2, Art. 10, 107 i.V.m. 81 Abs. 3 und Art. 82 Abs. 4, Art. 139 Abs. 2, Art. 341 Abs. 2, Art. 343 sowie 345 StPO, Art. 9, 10, 29 Abs. 2 und Art. 32 Abs. 1 BV sowie Art. 6 Ziff. 2 und 3 lit. d EMRK. Er wirft der Vorinstanz vor, mit ihrem Vorgehen im zweiten Berufungsverfahren habe sie seinen Anspruch auf rechtliches Gehör und ihre Begründungspflicht verletzt. Indem sie seine Ergänzungsfrage an die Beschwerdegegnerin 2 nicht zugelassen und seinen Antrag auf Einholung eines aussagepsychologischen Gutachtens über die Beschwerdegegnerin 2 abgewiesen sowie bei der Beweiswürdigung auf deren Aussagen abgestellt habe, habe sie die Beweise in unzulässiger Weise antizipiert gewürdigt, wobei sie in Willkür verfallen sei und die Unschuldsvermutung verletzt habe.
2.
Der Beschwerdeführer verweist wiederholt auf seine Plädoyernotizen im kantonalen Verfahren. Damit ist er nicht zu hören. Die Begründung der Beschwerde muss in der Beschwerdeschrift selbst enthalten sein, und der blosse Verweis auf Ausführungen in anderen Rechtsschriften oder auf die Akten reicht nicht aus (BGE 140 III 115 E. 2 S. 116; 133 II 396 E. 3.2 S. 399 f. mit Hinweisen).
Ebenfalls nicht einzutreten ist auf die Beschwerde insoweit, als der Beschwerdeführer die Kritik in seiner ersten Beschwerde in Strafsachen vom 29. Dezember 2014 wörtlich wiederholt, wonach die kantonalen Instanzen seinen Antrag auf Einvernahme der Beschwerdegegnerin 2 zu Unrecht abgew iesen hätten. Dieses Vorbringen bildete bereits Gegenstand des ersten bundesgerichtlichen Urteils vom 1. Juni 2015.
3.
3.1. Aufgrund der aus dem Anspruch auf rechtliches Gehör (Art. 3 Abs. 2 lit. c und Art. 107 StPO sowie Art. 29 Abs. 2 BV) fliessenden Begründungspflicht (Art. 81 Abs. 3 StPO) ist das Gericht gehalten, sein Urteil zu begründen. Dabei ist es nicht erforderlich, dass es sich mit allen Parteistandpunkten einlässlich auseinandersetzt und jedes einzelne Vorbringen ausdrücklich widerlegt. Vielmehr kann es sich auf die für den Entscheid wesentlichen Punkte beschränken, muss jedoch wenigstens kurz die Überlegungen nennen, von denen es sich hat leiten lassen und auf die sich sein Urteil stützt. Die Begründung muss so abgefasst sein, dass der Betroffene in voller Kenntnis der Tragweite des Entscheids die Sache weiterziehen kann und der Rechtsmittelinstanz die Überprüfung der Rechtsanwendung möglich ist (vgl. BGE 141 III 28 E. 3.2.4 S. 41; 139 IV 179 E. 2.2 S. 183; je mit Hinweisen).
Gemäss Art. 82 Abs. 4 StPO kann das Gericht im Rechtsmittelverfahren für die tatsächliche und die rechtliche Würdigung des angeklagten Sachverhalts auf die Begründung der Vorinstanz verweisen (vgl. hierzu: BGE 141 IV 244 E. 1.2.3 S. 246 f.).
3.2. Die Vorinstanz hat die Beschwerdegegnerin 2 anlässlich der zweiten Berufungsverhandlung vom 26. Oktober 2015 in Nachachtung des Urteils des Bundesgerichts vom 1. Juni 2015 als Auskunftsperson einvernommen. Nachdem sie sie über ihre Rechte und Pflichten belehrt hatte, befragte sie sie zu ihrem Verhältnis zum Beschwerdeführer sowie zu ihrem Befinden. Anschliessend wollte die Vorinstanz von der Beschwerdegegnerin 2 wissen, ob sie bei ihren beiden bisherigen Einvernahmen die Wahrheit gesagt habe, was diese bejahte. In der Folge forderte die Vorinstanz sie auf, zu erzählen, was sich am 26. August 2012 zwischen ihr und dem Beschwerdeführer abgespielt habe (kantonale Akten, act. 140 S. 1 ff., 4). Es ist nicht ersichtlich, inwiefern diese Befragung bzw. die Reihenfolge der gestellten Fragen einen freien Bericht der Beschwerdegegnerin 2 verunmöglicht und damit den Anspruch auf rechtliches Gehör des Beschwerdeführers verletzt haben sollte. Der Umstand, dass die Beschwerdegegnerin 2 nach der Bitte, sie solle das Vorgefallene schildern, dies auch tatsächlich in freier Rede tat und lediglich mit Rücksicht auf die Protokollierung unterbrochen wurde, zeigt gerade, dass das Vorgehen der Vorinstanz korrekt war.
Ebenso wenig ist eine Verletzung der gerichtlichen Begründungspflicht ersichtlich. Die Vorinstanz begründet ausführlich, weshalb sie den angeklagten Sachverhalt als erstellt erachtet. Sie nennt in ihrer Begründung die Überlegungen, von denen sie sich hat leiten lassen und auf die sich ihr Urteil stützt. Dass sie dabei teilweise auf die Ausführungen der ersten Instanz und auf ihre eigenen Erwägungen im aufgehobenen Urteil verweist, ist nicht zu beanstanden, zumal der Beschwerdeführer nicht geltend macht, sie habe seine Vorbringen übergangen. Gestützt auf die vorinstanzliche Begründung konnte er die Sache in voller Kenntnis der Tragweite des Entscheids weiterziehen und das Bundesgericht kann sie überprüfen. Ob das vorinstanzliche Urteil bzw. die Aussage- und Beweiswürdigung auch einer Willkürprüfung standhält, ist demgegenüber keine Frage der Begründungspflicht und daher nachfolgend zu prüfen (vgl. E. 6).
4.
4.1. Anlässlich der Einvernahme der Beschwerdegegnerin 2 hat die Vorinstanz die Ergänzungsfrage der Verteidigung, die Beschwerdegegnerin 2 solle den Vorfall nochmals ab dem Moment möglichst präzise schildern, als der Beschwerdeführer ihre Brüste geküsst habe, nicht zugelassen. Aus der audiovisuellen Aufzeichnung der Befragung ergibt sich, dass die befragende Koreferentin die Frage nicht zuliess, weil die Beschwerdegegnerin 2 den Vorfall bereits geschildert hatte und sich die Frage der Verteidigung mit jener des Gerichts deckte, welche die Beschwerdegegnerin 2 bereits beantwortet hatte (kantonale Akten, act. 140a).
4.2. Entgegen der Ansicht des Beschwerdeführers ist sein Anspruch gemäss Art. 6 Ziff. 3 lit. d EMRK, wonach die beschuldigte Person das Recht hat, Fragen an Belastungszeugen zu stellen, nicht verletzt (vgl. auch Art. 29 Abs. 2 und Art. 32 Abs. 2 BV; BGE 133 I 33 E. 2.2 S. 37 f. und E. 3.1 S. 41; 131 I 476 E. 2.2 S. 480 ff.; 125 I 127 E. 6b S. 133; 124 I 274 E. 5b S. 284 f.; je mit Hinweisen). Die Beschwerdegegnerin 2 wurde am 27. August 2012 wenige Stunden nach der mutmasslichen Tat polizeilich einvernommen. Am 15. Oktober 2012 wurde sie von der Staatsanwaltschaft unter anderem im Beisein des Verteidigers des Beschwerdeführers befragt. Dabei erhielt der Verteidiger Gelegenheit, der Beschwerdegegnerin 2 Ergänzungsfragen zu stellen, wovon er auch Gebrauch machte (kantonale Akten, act. ND1/2 und ND1/5). Damit hatte der Beschwerdeführer bzw. dessen Verteidiger bereits in der Untersuchung die Möglichkeit, Ergänzungsfragen an die Beschwerdegegnerin 2 zu richten und die Glaubhaftigkeit ihrer Aussagen zu überprüfen sowie deren Beweiswert infrage zu stellen. Besondere Umstände, welche die Möglichkeit einer ergänzenden Befragung als notwendig erscheinen liessen, macht der Beschwerdeführer zu Recht nicht geltend. Damit wurde sein verfassungs- und konventionsrechtlicher Konfrontationsanspruch gewahrt. Dass Art. 6 Ziff. 3 lit. d EMRK hinsichtlich der Frage der Zulassung von Ergänzungsfragen weitergehende Rechte gewährt, macht der Beschwerdeführer nicht geltend.
4.3. Gemäss Art. 341 Abs. 1 StPO führt die Verfahrensleitung oder ein von ihr bestimmtes Mitglied des Gerichts an der erstinstanzlichen Hauptverhandlung die Einvernahmen durch. Die anderen Mitglieder des Gerichts und die Parteien können durch die Verfahrensleitung Ergänzungsfragen stellen lassen oder sie mit deren Ermächtigung selber stellen (Art. 341 Abs. 2 StPO). Nach Art. 405 Abs. 1 StPO richtet sich die mündliche Berufungsverhandlung nach den Bestimmungen über die erstinstanzliche Hauptverhandlung. Die Verfahrensleitung kann beispielsweise Suggestivfragen, rhetorische Fragen oder solche ohne Zusammenhang mit dem zu beurteilenden Sachverhalt untersagen. Sie entscheidet endgültig über die Zulässigkeit einzelner Fragen (Botschaft vom 21. Dezember 2005 zur Vereinheitlichung des Strafprozessrechts, BBl 2006 1284 Ziff. 2.7.2.3; GUT/FINGERHUTH, in: Kommentar zur Schweizerischen Strafprozessordnung [StPO], Donatsch/Hansjakob/Lieber [Hrsg.], 2. Aufl. 2014, N. 7 zu Art. 341 StPO; HAURI/VENETZ, in: Basler Kommentar, Schweizerische Strafprozessordnung, 2. Aufl. 2014, N. 11 f. zu Art. 341 StPO; NIKLAUS SCHMID, Schweizerische Strafprozessordnung [StPO], Praxiskommentar, 2. Aufl. 2013, N. 5 zu Art. 341 StPO).
Dem Beschwerdeführer ist zuzustimmen, dass seine Frage bzw. Aufforderung, die Beschwerdegegnerin 2 solle nochmals möglichst detailliert das Kerngeschehen schildern, klarerweise mit dem zu beurteilenden Sachverhalt zusammenhing und weder suggestiv noch rhetorisch war. Indessen ist nicht zu beanstanden, wenn die Koreferentin zum Schluss gelangte, dass die Beschwerdegegnerin 2 die Ergänzungsfrage bereits beantwortet hatte. Die Beschwerdegegnerin 2 führte in ihrer freien Rede vor Vorinstanz zu den sexuellen Handlungen aus, sie sei am Boden gelegen und der Beschwerdeführer habe sie von vorne angegriffen, das heisse, er habe sie zuerst von vorn vergewaltigt. Als sie ihm zwischen die Beine getreten habe, sei er noch wütender geworden, habe sie herumgedreht und sie auch noch von hinten genommen (kantonale Akten, act. 140 S. 5). Auf die späteren Fragen der Koreferentin antwortete sie unter anderem, als sie auf dem Rücken gelandet sei, habe er sie gepackt und sie von vorn sowie dann von hinten vergewaltigt (kantonale Akten, act. 140 S. 7). Folglich beschrieb die Beschwerdegegnerin 2 den konkreten Hergang des Vorfalls bereits auf Frage der Koreferentin. Da die Ergänzungsfrage der Verteidigung bereits beantwortet war, verletzte die Vorinstanz kein Bundesrecht, indem sie diese nicht zuliess. Soweit der Beschwerdeführer argumentiert, ihm sei damit die Möglichkeit verwehrt worden, die Glaubhaftigkeit der Aussagen der Beschwerdegegnerin 2 im zentralen Bereich zu überprüfen, verkennt er, dass er die Gelegenheit erhielt, weitere, allenfalls konkretere Ergänzungsfragen zu stellen, worauf er verzichtete (kantonale Akten, act. 140 S. 9; siehe auch: E. 4.2). Ob Aussagen widersprüchlich sowie lückenhaft bzw. wie sie zu würdigen sind und zu welchem Schluss sie führen, ist eine Frage der Aussage- sowie Beweiswürdigung. Darauf ist zurückzukommen (vgl. E. 6).
4.4. Inwiefern die Nichtzulassung der Ergänzungsfrage eine unzulässige sowie willkürliche antizipierte Beweiswürdigung darstellt und die Unschuldsvermutung sowie Art. 343 und 345 StPO verletzt, begründet der Beschwerdeführer nicht. Darauf ist nicht einzutreten (vgl. Art. 42 Abs. 1 und 2 sowie Art. 106 Abs. 2 BGG).
5.
5.1. Das Gericht würdigt die Beweise frei nach seiner aus dem gesamten Verfahren gewonnenen Überzeugung (Art. 10 Abs. 2 StPO). Es zieht eine oder mehrere sachverständige Personen bei, wenn es nicht über die besonderen Kenntnisse und Fähigkeiten verfügt, die zur Feststellung oder Beurteilung eines Sachverhalts erforderlich sind (Art. 182 StPO). Das Prüfen der Glaubhaftigkeit von Beweisaussagen ist primär Sache der Gerichte (BGE 129 I 49 E. 4 S. 57; 128 I 81 E. 2 S. 86 mit Hinweisen). Zu prüfen ist, ob die Aussagen verständlich, zusammenhängend und glaubhaft sind. Ebenso ist abzuklären, ob sie mit den weiteren Beweisen in Einklang stehen (Urteile 6B_84/2011 vom 28. Juni 2011 E. 2.3; 1B_36/2010 vom 19. April 2010 E. 3.1 mit Hinweis). Bei Besonderheiten in der Person oder Entwicklung eines Zeugen kann eine Begutachtung in Betracht kommen, mit der die Zeugenfähigkeit oder die Aussagequalität abgeklärt werden soll (BGE 128 I 81 E. 2 S. 84). Nach der Rechtsprechung drängt sich der Beizug eines Sachverständigen für die Prüfung der Glaubhaftigkeit von Beweisaussagen in der Regel erst auf, wenn das Gericht aufgrund besonderer Umstände auf zusätzliches medizinisches oder psychologisches Fachwissen angewiesen ist. Dies gilt namentlich, wenn Anzeichen dafür bestehen, die betreffende Person könnte wegen einer ernsthaften geistigen Störung, Drogensucht oder sonstiger Umstände in ihrer Wahrnehmungs-, Erinnerungs- oder Wiedergabefähigkeit beeinträchtigt und zur wahrheitsgemässen Aussage nicht fähig oder nicht willens sein. Eine Begutachtung kann auch geboten sein, wenn bruchstückhafte oder schwer interpretierbare Äusserungen eines Kleinkinds zu beurteilen sind oder wenn Anhaltspunkte für eine Beeinflussung durch Drittpersonen bestehen (vgl. 129 IV 179 E. 2.4 S. 184; 118 Ia 28 E. 1c S. 30 ff.; Urteile 6B_79/2014 vom 16. Oktober 2014 E. 1.3; 6B_703/2012 vom 3. Juni 2013 E. 5.3; je mit Hinweisen). Dem Gericht steht bei der Frage, ob aufgrund der konkreten Umstände eine Begutachtung notwendig ist oder nicht, ein Ermessensspielraum zu. Eine starre Beweisregel, wonach bei streitigen Aussagen des mutmasslichen Opfers in jedem Fall ein Aussagegutachten anzuordnen wäre, widerspräche dem Grundsatz der freien richterlichen Beweiswürdigung (Urteile 6B_100/2014 vom 18. Dezember 2014 E. 3.2; 6B_703/2012 vom 3. Juni 2013 E. 5.3; 6B_84/2011 vom 28. Juni 2011 E. 2.3.2 mit Hinweisen).
5.2. Die Vorinstanz erwägt, es könne nicht von der Hand gewiesen werden, dass die Beschwerdegegnerin 2 geistig eingeschränkt sei, zumal sie in einer Institution für Personen mit Behinderung wohne. Im Gutachten zur körperlichen Untersuchung werde von einer "geringgradig mental retardierten Frau" gesprochen. Das Aussageverhalten der Beschwerdegegnerin 2 liefere jedoch keinerlei Anhaltspunkte für Auffälligkeiten, die ein aussagepsychologisches Gutachten erforderlich machen würden. Davon habe sich die Vorinstanz anlässlich ihrer Befragung persönlich überzeugen können. Die Beschwerdegegnerin 2 habe sich sowohl anlässlich der gerichtlichen Einvernahme als auch in der Untersuchung klar sowie differenziert zum Anklagegeschehen geäussert. Sie sei ohne Weiteres in der Lage gewesen, auf entsprechende Vorhalte sofort und adäquat Antwort zu geben. Es bestünden keine Hinweise dafür, dass ihre bestehende geistige Einschränkung einen Einfluss auf die Qualität ihrer Aussagen haben könnte. Ein aussagepsychologisches Gutachten erübrige sich damit (Urteil S. 21 f.).
5.3. Der Beschwerdeführer argumentiert, es sei nie abgeklärt worden, wie stark die Beschwerdegegnerin 2 in ihrer geistigen Leistungsfähigkeit eingeschränkt sei. Ihr Wohnort weise zumindest darauf hin, dass sie geistig in einem Masse eingeschränkt sei, das es ihr nicht mehr ermögliche, selbstständig zu wohnen und zu arbeiten. Zwar könne aufgrund der Aktenlage nicht gesagt werden, wie stark die Retardierung der Beschwerdegegnerin 2 sei, jedoch sei ersichtlich, dass diese grosse Schwierigkeiten bekunde, den angeklagten Vorfall stringent, ausführlich und insgesamt glaubhaft zu schildern. Ihre Aussagen zum Kerngeschehen seien äusserst knapp und widersprüchlich sowie ihre Beschreibungen auf der Gefühlsebene grösstenteils stereotyp und es fehle der innere Film der Schilderung des Ablaufs. Es könne nur auf die Aussagen der Beschwerdegegnerin 2 abgestellt werden, wenn mittels aussagepsychologischem Gutachten abgeklärt werde, weshalb diese widersprüchlich seien. Zudem dränge sich ein Gutachten auf, weil aus ihren Aussagen zu erkennen sei, dass sie offenbar Schwierigkeiten habe, sexuelle Erlebnisse richtig einzuordnen und darüber zu sprechen. Ferner könne nicht ausgeschlossen werden, dass die Beschwerdegegnerin 2 beeinflusst worden sei, weshalb eine Suggestibilitätsprüfung vorzunehmen sei. Schliesslich sei auch eine Motivationsanalyse für die Aussagewürdigung unerlässlich.
5.4. Besondere Umstände, die nach der dargelegten Rechtsprechung den Beizug eines Sachverständigen aufdrängen würden, sind vorliegend nicht gegeben. Mit dem Beschwerdeführer geht auch die Vorinstanz davon aus, dass die Beschwerdegegnerin 2 geistig eingeschränkt ist. Welches Ausmass diese Einschränkung hat, wurde, wie der Beschwerdeführer zutreffend einwendet, nicht abgeklärt. Entgegen seiner Ansicht war dies jedoch vorliegend nicht notwendig. Der Beschwerdeführer bringt sinngemäss vor, bei Aussagen geistig retardierter Erwachsener sei die zu den Aussagen von Kindern im Zusammenhang mit Sexualdelikten entwickelte Rechtsprechung heranzuziehen, weshalb ein aussagepsychologisches Gutachten anzuordnen sei. Damit verkennt er, dass selbst Aussagen von kindlichen Zeugen in der Regel durch das Gericht selbst zu würdigen sind, sofern sie klar sowie verständlich sind und auch ohne besondere kinderpsychologische Fachkenntnisse interpretiert werden können (vgl. BGE 128 I 81 E. 2 f. S. 84 ff. mit Hinweisen; Urteile 6B_84/2011 vom 28. Juni 2011 E. 2.3.2; 1P.38/2007 vom 22. Mai 2007 E. 7 sowie 8.3). Die Vorinstanz prüft demnach zu Recht, ob sich aus dem Aussageverhalten der Beschwerdegegnerin 2 Anhaltspunkte für Auffälligkeiten ergeben, die den Beizug eines Sachverständigen erforderlich machen würden. Sie begründet nachvollziehbar, weshalb sie zur Ansicht gelangt, es bestünden keine Hinweise dafür, dass die geistige Einschränkung der Beschwerdegegnerin 2 einen Einfluss auf die Qualität ihrer Aussagen haben könnte. Wie sie zutreffend erwägt, hat sich die Beschwerdegegnerin 2 sowohl in der Untersuchung als auch in ihrer Einvernahme anlässlich der zweiten Berufungsverhandlung klar sowie differenziert zum Anklagegeschehen geäussert und war in der Lage, auf Fragen sowie Vorhalte zu reagieren und adäquat Antwort zu geben. Trotz ihrer geistigen Einschränkung liegen keine Anhaltspunkte dafür vor, dass sie in ihrer Wahrnehmungs-, Erinnerungs- oder Wiedergabefähigkeit beeinträchtigt und zur wahrheitsgemässen Aussage nicht fähig oder nicht willens war.
Der Beschwerdeführer setzt sich nicht mit den vorinstanzlichen Erwägungen zum Aussageverhalten der Beschwerdegegnerin 2 auseinander. Er beschränkt sich darauf, das von ihm bereits im ersten Beschwerdeverfahren vor Bundesgericht Vorgetragene zu wiederholen und mittels eigener Analyse ausführlich aufzuzeigen, dass die Aussagen der Beschwerdegegnerin 2 widersprüchlich sind. Indem er bemängelt, dass die Vorinstanz vollumfänglich auf die Aussagen der geistig behinderten Beschwerdegegnerin 2 abstelle, ohne abzuklären, weshalb deren Aussagen zum Kerngeschehen widersprüchlich sowie über weite Teile unglaubhaft seien, verkennt er, dass die Vorinstanz zum gegenteiligen Schluss gelangt und die Aussagen als glaubhaft bewertet. Ob die Vorinstanz die Beweise und dabei insbesondere die Aussagen der Beschwerdegegnerin 2 willkürfrei würdigt, ist indessen erst in einem nächsten Schritt zu prüfen (vgl. E. 6).
Insgesamt ist der vorinstanzliche Schluss, es lägen keine besonderen Umstände vor, die ein aussagepsychologisches Gutachten aufdrängen würden, nicht zu beanstanden. Der Vorinstanz war es trotz der geistigen Einschränkung der Beschwerdegegnerin 2 möglich, deren Aussagen sachgerecht zu würdigen. Es ist jedenfalls nicht ersichtlich, inwiefern die Aussagen der Beschwerdegegnerin 2 nur gestützt auf besondere psychologische Fachkenntnisse verstanden bzw. vom Gericht verfassungskonform gewürdigt werden könnten. Indem die Vorinstanz von der Einholung eines Gutachtens absieht, überschreitet sie das ihr zustehende Ermessen nicht. Es liegt weder eine Verletzung von Art. 182 StPO noch des Anspruchs des Beschwerdeführers auf rechtliches Gehör (Art. 29 Abs. 2 BV) vor.
6.
6.1. Das Bundesgericht legt seinem Urteil den Sachverhalt zugrunde, den die Vorinstanz festgestellt hat (Art. 105 Abs. 1 BGG). Die Sachverhaltsfeststellung kann nur gerügt werden, wenn sie offensichtlich unrichtig ist oder auf einer Rechtsverletzung im Sinne von Art. 95 BGG beruht und wenn die Behebung des Mangels für den Ausgang des Verfahrens entscheidend sein kann (Art. 97 Abs. 1 BGG). Offensichtlich unrichtig ist die Feststellung des Sachverhalts, wenn sie willkürlich ist (BGE 139 II 404 E. 10.1 S. 445 mit Hinweisen; zum Begriff der Willkür BGE 141 IV 305 E. 1.2 S. 308 f.; 140 III 16 E. 2.1 S. 18 f.; je mit Hinweisen). Eine entsprechende Rüge muss klar vorgebracht und substanziiert begründet werden. Auf eine rein appellatorische Kritik am angefochtenen Urteil tritt das Bundesgericht nicht ein (vgl. Art. 42 Abs. 2 und Art. 106 Abs. 2 BGG; BGE 141 IV 249 E. 1.3.1 S. 253 mit Hinweisen).
Dem Grundsatz "in dubio pro reo" kommt in der vom Beschwerdeführer angerufenen Funktion als Beweiswürdigungsregel im Verfahren vor Bundesgericht keine über das Willkürverbot von Art. 9 BV hinausgehende Bedeutung zu (BGE 138 V 74 E. 7 S. 82 mit Hinweisen).
6.2. Die Vorinstanz hält mit Hinweis auf die Ausführungen im erstinstanzlichen und im aufgehobenen obergerichtlichen Urteil als unbestritten fest, dass der Beschwerdeführer und die Beschwerdegegnerin 2 sich am 26. August 2012 zufällig an der Chilbi getroffen und zusammen Bier getrunken hätten. In der Folge hätten sie gemeinsam die Toilette aufgesucht, wovon sich der Beschwerdeführer später alleine entfernt habe (Urteil S. 12).
Die Vorinstanz erwägt, es falle auf, dass die Beschwerdegegnerin 2 in der ersten polizeilichen Einvernahme kurz nach dem Ereignis die Geschehnisse in freier Rede wiedergegeben habe. Dabei habe sie zu den gesamten Umständen wie auch zum Kerngeschehen viele aussergewöhnliche Details erwähnt, die darauf hindeuteten, dass sie das Erzählte selbst erlebt habe. Im Verlaufe der Einvernahme habe sie weitere Einzelheiten zu Protokoll gegeben. Anlässlich der staatsanwaltschaftlichen Einvernahme habe sie ihre Aussagen bei der Polizei im Wesentlichen bestätigt. Auffallend sei einzig, dass sie sich betreffend Ablauf der Vergewaltigung nicht deckungsgleich geäussert habe. Dabei sei sie aber bei der Aussage, der Beschwerdeführer sei einmal vaginal und einmal anal eingedrungen, geblieben. Jedoch habe sie auf Nachfrage nicht genau sagen können, was sich zuerst ereignet habe. Zudem habe sie etwas ungenaue Aussagen zu ihrem Sturz in der Kabine und der darauffolgenden Ohnmacht gemacht, jedoch den Beschwerdeführer insgesamt nicht stärker oder abweichend belastet. Dabei handle es sich allerdings nur um vermeintliche Widersprüche. Im Ergebnis habe die Beschwerdegegnerin 2 in beiden Einvernahmen das Gleiche erzählt. Diese Ungenauigkeiten würden nicht dazu führen, dass die gesamten Ausführungen der Beschwerdegegnerin 2 als unglaubhaft zu werten seien; vielmehr sei ihr Aussageverhalten durch ihre grosse Aufregung anlässlich der Einvernahme zu erklären. Überdies enthalte auch diese Einvernahme viele aussergewöhnliche Details, die für die Glaubhaftigkeit der Aussagen sprächen. Schliesslich sei kein Motiv ersichtlich, weshalb die Beschwerdegegnerin 2 den Beschwerdeführer zu Unrecht belasten sollte. Die Vorinstanz ergänzt, auch anlässlich der zweiten Berufungsverhandlung habe die Beschwerdegegnerin 2 frei und spontan von den Erlebnissen erzählt. Ihre Schilderungen seien detailliert und lebensnah gewesen. Es treffe nicht zu, dass ihre Aussagen zum Kerngeschehen gegenüber jenen zum Vor- und Nachtatgeschehen deutlich abfielen. Sie habe den gesamten Vorfall in einem Redefluss geschildert. Zutreffend sei demgegenüber, dass sie die eigentliche Vergewaltigung nicht im Detail beschrieben habe. Dies bedeute jedoch nicht, dass sich der Anklagesachverhalt nicht erstellen lasse. Bezüglich des Kerngeschehens seien die Aussagen der Beschwerdegegnerin 2 im Verlauf des Verfahrens gleich geblieben. Insgesamt seien sie detailliert, überzeugend und glaubhaft, weshalb darauf abgestellt werden könne (Urteil S. 13 ff., 19 ff.).
Hinsichtlich der Aussagen des Beschwerdeführers erwägt die Vorinstanz, er habe sich im Wesentlichen darauf beschränkt, die Darstellungen der Beschwerdegegnerin 2 pauschal zu bestreiten. Einzig rund um die Abmachung mit den Fr. 20.-- habe er von sich aus und nicht erst auf Nachfrage etwas ausführlicher Auskunft gegeben. Seine diesbezüglichen Aussagen wirkten zwar nicht unglaubhaft, es erscheine aber eher unlogisch, dass die Beschwerdegegnerin 2 aus dem Nichts dem Beschwerdeführer das Angebot gemacht haben solle, ihre Brüste anzufassen. Wenig nachvollziehbar sei sodann, dass die Beschwerdegegnerin 2 plötzlich geschrien habe, als der Beschwerdeführer sie an den Brüsten angefasst habe, obwohl dies so abgemacht gewesen sein soll. Anlässlich der ersten Berufungsverhandlung habe der Beschwerdeführer abweichend ausgeführt, zwischen ihm und der Beschwerdegegnerin 2 sei nichts passiert, sie hätten zwar wegen der Fr. 20.-- diskutiert, es habe aber nichts stattgefunden. Er habe nur mit der Beschwerdegegnerin 2 gesprochen. Zusammenfassend könnten die Aussagen des Beschwerdeführers zwar nicht als unglaubhaft bezeichnet werden, jedoch seien sie teilweise widersprüchlich und vermöchten die glaubhaften Darstellungen der Beschwerdegegnerin 2 nicht schlüssig zu widerlegen (Urteil S. 16 f.).
In Würdigung der objektiven Beweise (Fotodokumentation und Gutachten zur körperlichen Untersuchung sowie betreffend Auswertung und Beweiswertberechnung von DNA-Spuren) gelangt die Vorinstanz zum Schluss, diese bestätigten die glaubhaften Aussagen der Beschwerdegegnerin 2. Die beiden Gutachten stützten ihre Darstellung, wonach es zu gewaltsamem Geschlechtsverkehr zwischen ihr und dem Beschwerdeführer gekommen sei. So würden die Verletzungen in den von ihr beschriebenen Ablauf in der Toilette passen, und ihre DNA-Spur an der Eichel des Beschwerdeführers lasse nur den Schluss zu, dass es tatsächlich zu Berührungen zwischen ihnen gekommen sei. Der Beschwerdeführer vermöge denn auch nicht zu erklären, weshalb die DNA der Beschwerdegegnerin 2 an seiner Eichel habe festgestellt werden können; insbesondere habe er nie geltend gemacht, die Beschwerdegegnerin 2 habe in seine Hose gegriffen (Urteil S. 17 ff.).
Die Vorinstanz gelangt zum Schluss, dass der angeklagte Sachverhalt aufgrund der glaubhaften Aussagen der Beschwerdegegnerin 2 sowie der beiden Gutachten vollständig erstellt werden könne (Urteil S. 22).
6.3.
6.3.1. Der Beschwerdeführer kritisiert die vorinstanzliche Würdigung der Aussagen der Beschwerdegegnerin 2. Dabei beschränkt er sich im Wesentlichen darauf, darzulegen, wie die Aussagen richtigerweise zu würdigen wären. Soweit er dem vorinstanzlichen Beweisergebnis lediglich seine eigene Sicht der Dinge gegenüberstellt, ohne sich mit den Erwägungen der Vorinstanz detailliert auseinanderzusetzen, erschöpfen sich seine Ausführungen in appellatorischer Kritik am angefochtenen Urteil. Darauf ist nicht einzutreten. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn er ausführt, die Schilderungen der Beschwerdegegnerin 2 seien unglaubhaft, widersprüchlich und konstruiert oder die Beschwerdegegnerin 2 flüchte sich in Allgemeinaussagen, aggraviere und lasse den Beschwerdeführer in keinem guten Licht erscheinen.
6.3.2. Soweit die Vorbringen des Beschwerdeführers über eine unzulässige appellatorische Kritik hinausgehen, sind sie nicht geeignet, die vorinstanzliche Aussagewürdigung willkürlich erscheinen zu lassen. Unbegründet ist seine Behauptung, die Beschwerdegegnerin 2 habe das Kerngeschehen nicht detailliert geschildert. Wie die Vorinstanz willkürfrei festhält, beschrieb die Beschwerdegegnerin 2 zu Beginn ihrer polizeilichen Einvernahme den Vorfall ausführlich. Zum Kerngeschehen gab sie an, der Beschwerdeführer habe sie in der Kabine des Frauen-WC bedrängt, ihr T-Shirt auszuziehen, was sie gemacht habe. Plötzlich habe er sie auf die offene Schüssel geschubst. Er habe sie an der Schulter gepackt und ihr Hose sowie Unterhose über die Knie gerissen. Ihre Beine seien in der Luft gewesen und ihr Hintern halb in der Schüssel eingeklemmt. Er habe seine Hose geöffnet, sie gepackt und aus der Schüssel gerissen, sodass sie auf den Boden gefallen sei. Seitdem schmerze ihre linke Hand. Sie sei neben der Schüssel am Boden gelegen, habe sich wegdrehen wollen, was nicht gegangen sei, weil er sie sofort von hinten gepackt und auf den Rücken gedreht habe. Er habe sich über sie gebeugt und sei vaginal in sie eingedrungen. Sie habe sich dann weggedreht und er sei nochmals in sie eingedrungen, diesmal anal. Sie sei auf dem Boden gelegen und habe sich aufraffen wollen, woraufhin er sie nochmals um den Bauch gepackt habe, weshalb sie um Hilfe geschrien habe. Er habe ihr daraufhin den Mund zugehalten und gesagt, es würde sie ja sowieso niemand hören. In der Folge gab die Beschwerdegegnerin 2 eine kurze Konversation mit dem Beschwerdeführer wieder (kantonale Akten, act. ND1/2 S. 2 f.). Im Verlauf der Einvernahme schilderte sie auf entsprechende Fragen weitere Details zum Kerngeschehen (vgl. Urteil S. 14 f.; kantonale Akten, act. ND1/2 S. 5 ff.). Anlässlich der staatsanwaltschaftlichen Einvernahme beschrieb sie das Vor- und Nachtatverhalten sowie das Kerngeschehen in freier Rede und übereinstimmend mit ihren vorherigen Aussagen (kantonale Akten, act. ND1/5 S. 4 f.). Wie die Vorinstanz und der Beschwerdeführer zutreffend festhalten, widersprach sich die Beschwerdegegnerin 2 im weiteren Verlauf der Einvernahme wiederholt hinsichtlich der Frage, ob der Beschwerdeführer zuerst vaginal oder zuerst anal in sie eingedrungen sei (Urteil S. 14 f.; kantonale Akten, act. ND1/5 S. 7 ff.). Obwohl dies verwundert, ist es nicht schlechterdings unhaltbar, wenn die Vorinstanz zum Schluss gelangt, es handle sich dabei lediglich um Ungenauigkeiten, die mit der grossen Aufregung der Beschwerdegegnerin 2 zu erklären seien. Die Vorinstanz begründet ihre Ansicht nachvollziehbar anhand des Protokolls der staatsanwaltschaftlichen Einvernahme (Urteil S. 15). Damit setzt sich der Beschwerdeführer nicht auseinander. Anlässlich der zweiten Berufungsverhandlung schilderte die Beschwerdegegnerin 2 den Vorfall nochmals in freier Rede sowie auf Nachfragen. Zwar beschrieb sie das Kerngeschehen nicht mehr in allen Einzelheiten, gab jedoch erneut an, der Beschwerdeführer sei zuerst vaginal und danach anal in sie eingedrungen. Ferner schilderte sie, wie sie dem Beschwerdeführer zwischen die Beine getreten habe, woraufhin dieser noch wütender geworden und von hinten in sie eingedrungen sei, weshalb sie um Hilfe geschrien habe. Übereinstimmend mit ihren Angaben an der polizeilichen Einvernahme gab die Beschwerdegegnerin 2 ihren nachfolgenden Wortwechsel mit dem Beschwerdeführer wieder (kantonale Akten, act. 140 S. 5 ff.). Insgesamt schilderte die Beschwerdegegnerin 2 sowohl das Rand- als auch das Kerngeschehen detailliert und weitgehend konstant. Die vorinstanzliche Würdigung ist nicht zu beanstanden.
6.3.3. Der Beschwerdeführer argumentiert, da die Beschwerdegegnerin 2 sexuelle Vorkommnisse nicht richtig habe einordnen können und falsche Begriffe verwendet habe, sei eine Sexualanamnese zu erheben. Darauf verzichtet die Vorinstanz willkürfrei. Zwar trifft zu, dass die Beschwerdegegnerin 2 anlässlich der staatsanwaltschaftlichen Einvernahme zunächst fälschlicherweise vom "Fützli" anstatt vom "Füdlispalt" sprach (kantonale Akten, act. ND1/5 S. 11). Jedoch ist diese Verwechslung für die Würdigung ihrer Aussagen nicht relevant, da aus dem Gesamtkontext hervorgeht, dass sie den Analverkehr umschrieb. Ferner gab die Beschwerdegegnerin 2 an, der Beschwerdeführer habe einen Samenerguss gehabt, wobei aufgrund ihrer Aussagen nicht klar wird, ob dies zeitlich vor oder nach den sexuellen Handlungen gewesen sein soll (vgl. kantonale Akten, act. ND1/2 S. 7, ND1/5 S. 6 f., 10, 140 S. 5). Die vom Beschwerdeführer aufgeworfene Frage, ob Geschlechtsverkehr kurz nach einem Samenerguss überhaupt möglich wäre, braucht nicht beantwortet zu werden. Mit der ersten Instanz erwägt die Vorinstanz, die Angabe der Beschwerdegegnerin 2, wonach der Beschwerdeführer einen Samenerguss gehabt habe, könne anhand der Gutachten nicht belegt werden. Dies sei jedoch letztlich nicht ausschlaggebend, weshalb offenbleiben könne, ob die Beschwerdegegnerin 2 übertrieben habe oder ob etwas vorgefallen sei, das sie als Samenerguss aufgefasst habe (Urteil S. 19; erstinstanzliches Urteil S. 30). Inwiefern diese vorinstanzliche Würdigung schlechterdings unhaltbar sein soll, legt der Beschwerdeführer nicht dar.
6.3.4. Schliesslich ist auch keine Willkür in der vorinstanzlichen (impliziten) Feststellung ersichtlich, es lägen weder Anhaltspunkte für Suggestion noch ein Motiv für eine Falschbelastung vor. Sie erwägt nachvollziehbar, es erscheine schwierig, innert so kurzer Zeit zwischen dem Ereignis und der Ankunft der Polizei derartige Geschehnisse, wie sie die Beschwerdegegnerin 2 zu Protokoll gegeben habe, zu erfinden (Urteil S. 16). Daran ändert nichts, dass die Beschwerdegegnerin 2 - wie der Beschwerdeführer zutreffend einwendet - nach dem Vorfall zunächst von einer Frau betreut wurde. Selbst wenn sich die Beschwerdegegnerin 2 mit dieser Frau unterhalten haben sollte, sind keine Anhaltspunkte dafür ersichtlich, dass sie von dieser beeinflusst wurde. Dafür spricht insbesondere der Umstand, dass die Frau keine Angaben zum Vorfall machen konnte (kantonale Akten, act. ND1/1 S. 7). Aufgrund der insgesamt zurückhaltenden Aussagen der Beschwerdegegnerin 2 und der Tatsache, dass die Polizei von einer Passantin benachrichtigt wurde, schliesst die Vorinstanz nachvollziehbar eine Falschbelastung des Beschwerdeführers durch die Beschwerdegegnerin 2 aus (Urteil S. 15 f.). Soweit sie überhaupt den Begründungsanforderungen genügen, vermag der Beschwerdeführer mit seinen Vorbringen keine Willkür in den vorinstanzlichen Erwägungen aufzuzeigen.
6.3.5. Die Vorinstanz zieht in ihre Gesamtwürdigung nicht nur die Aussagen der Beschwerdegegnerin 2 ein, sondern berücksichtigt auch, dass die beiden Gutachten deren Darstellung, wonach es zu Geschlechtsverkehr zwischen ihr und dem Beschwerdeführer gekommen sei, stützen würden. Ferner erwägt sie, der Beschwerdeführer, der jeglichen sexuellen Kontakt mit der Beschwerdegegnerin 2 bestreite, könne nicht erklären, wie ihre DNA auf seine Eichel gekommen sei. Zu dieser vorinstanzlichen Würdigung seiner eigenen Aussagen sowie der bei den Akten liegenden Gutachten und damit zu der Gesamtwürdigung äussert sich der Beschwerdeführer nicht. Insgesamt beschränkt er sich darauf, die Aussagen der Beschwerdegegnerin 2 und deren Würdigung durch die Vorinstanz zu kritisieren. Im Ergebnis stellt er seine Beweiswürdigung jener der Vorinstanz gegenüber. Den Nachweis der Unhaltbarkeit ihrer Erwägungen bleibt er jedoch schuldig. Damit vermag er das vorinstanzliche Beweisergebnis nicht zu erschüttern. Auch in diesem Punkt sind die Rügen des Beschwerdeführers unbegründet.
7.
Seine übrigen Anträge hinsichtlich Strafzumessung, Zivilforderungen, Kostenverlegung und Genugtuung begründet der Beschwerdeführer ausschliesslich mit dem beantragten Freispruch vom Vorwurf der Vergewaltigung. Darauf ist nicht einzutreten.
8.
Die Beschwerde ist abzuweisen, soweit darauf eingetreten werden kann. Der Beschwerdeführer wird grundsätzlich kostenpflichtig (Art. 66 Abs. 1 BGG). Sein Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung ist gutzuheissen, da von seiner Bedürftigkeit auszugehen ist und seine Rechtsbegehren nicht von vornherein aussichtslos waren. Es sind keine Kosten zu erheben. Seinem Rechtsvertreter ist eine Entschädigung aus der Bundesgerichtskasse auszurichten (Art. 64 Abs. 1 und 2 BGG). Der Beschwerdegegnerin 2 ist keine Entschädigung zuzusprechen, da ihr im bundesgerichtlichen Verfahren keine Umtriebe entstanden.
Demnach erkennt das Bundesgericht:
1.
Die Beschwerde wird abgewiesen, soweit darauf einzutreten ist.
2.
Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung wird gutgeheissen.
3.
Es werden keine Kosten erhoben.
4.
Dem Rechtsvertreter des Beschwerdeführers, Rechtsanwalt Stephan Bernard, wird eine Entschädigung von Fr. 3'000.-- aus der Bundesgerichtskasse ausgerichtet.
5.
Dieses Urteil wird den Parteien und dem Obergericht des Kantons Zürich, I. Strafkammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 18. Mai 2016
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Denys
Die Gerichtsschreiberin: Andres