数控机床结构中存在大量的结合面,结合面的接触特性直接影响结构的动力学特性,开展结合面接触特性理论建模研究,对建立准确的机床结构动力学模型进而进行其动力学特性的分析预测及评价具有重要的理论和实际意义。机械结合面问题实际是粗糙表面间的接触问题。本文从粗糙表面微观层面的单个微凸体在不同接触变形阶段的接触特性分析和建模研究,到粗糙表面宏观层面的基于分形理论的接触特性的建模与仿真分析研究,再到包含结合面的线轨滑台结构的试验模态分析与模态参数识别研究,最终验证理论建模的正确有效性。论文的主要内容和创新性成果如下:1.提出了一种基于连续光滑指数函数的微凸体弹塑性接触变形阶段的接触特性模型。利用微凸体在完全弹性接触变形阶段接触模型和在完全塑性接触变形阶段AF塑性接触模型,针对现有微凸体弹塑性变形阶段接触模型的不足或缺陷,根据微凸体平均接触压力、接触面积和接触载荷与接触变形之间的关系在临界变形点应该满足的连续光滑条件,借助一阶系统阶跃响应函数模式,提出了一种基于连续光滑指数函数的微凸体弹塑性接触模型,并对模型进行了仿真分析比较,证明了模型的正确有效性。该模型具有光滑、连续与单调性,更符合有限元分析的结果与实际,为粗糙表面接触特性建模奠定了更好的基础。2.建立了一种新的考虑弹塑性变形的结合面法向接触刚度分形模型。利用典型的微凸体弹塑性阶段分段KE接触模型和本文提出的基于连续光滑指数函数的微凸体弹塑性接触模型,分别建立了结合面法向接触刚度分形模型,并对模型数值仿真,分析研究了粗糙表面分形维数、分形尺度参数、材料塑性指数等参数对结合面法向接触刚度的影响规律,进而利用哑铃结构,通过其试验模态与理论计算模态的对比分析,验证了两种模型的正确性。结果表明,基于连续光滑指数函数的结合面法向接触刚度模型的精度更高,为进一步开展结合面接触特性对机械结构动态特性的影响研究提供了重要基础。3.提出了一种基于能量“分离”的考虑微凸体弹塑性变形机制的结合面法向接触阻尼模型。结合面法向接触阻尼的计算是基于能量损耗理论,微凸体完全弹性接触变形状态是能量的存储,微凸体完全塑性接触变形状态是能量的损耗,而微凸体弹塑性接触变形状态是既包含能量储存又包含能量损耗。基于所建立的微凸体弹塑性接触模型的特点,将微凸体弹塑性接触变形的弹性载荷和塑性载荷的相“分离”,首次建立了考虑弹塑性变形机制的结合面法向接触阻尼分形模型,并通过仿真分析研究了分形维数、分形尺度参数、塑性指数等参数对结合面法向接触阻尼的影响规律,进而与相关模型进行了分析比较。结果表明,本文所建模型更加合理与符合实际,为进一步开展结合面接触特性对机械结构动态特性的影响研究提供了重要支持。4.通过线轨滑台的理论模态分析与试验模态分析研究比较,验证了本文所建模型的正确性。以线轨滑台为研究对象,基于本文所建模型计算确定了线轨滑台的有关接触特性参数,并将计算结果赋值给简化的线轨滑台有限元模型的接触单元参数,通过模态分析得到线轨滑台的理论模态。自编基于MATLAB的时域和频域模态参数识别方法的程序,识别出线轨滑台的模态参数;使用MDOF方法对线轨滑台进行试验模态分析,得到了线轨滑台的模态参数,并进行了模态验证。比较线轨滑台的理论模态与试验模态,验证了本文所提出的基于弹塑性连续光滑指数函数的结合面法向接触刚度和接触阻尼分形模型的正确性。本文研究工作对建立更准确的机械结构动力学模型,进行其动力学特性的分析预测及评价具有重要意义。