接触疲劳是齿轮、轴承等基础部件失效的主要原因之一。依据行业标准(YB/T5345-2014),滚动接触疲劳试验机是获取材料滚动接触疲劳性能不可或缺的试验装备,而主试验箱是试验机的核心部件,因此,开展主试验箱系统特性分析及优化,对于疲劳试验机研制具有重要意义。本论文以自主研发的滚动接触疲劳试验机主试验箱系统为对象,以单个圆柱滚子轴承动力学为切入点,分析了主试验箱系统的力学特性,并在此基础上对其进行了优化设计。论文的主要研究工作包括:1、根据Hertz接触理论,结合两种不同的接触工况,分析了圆柱滚子轴承的运动规律,并推导了保持架的理论转速。结合实际工况确定了接触参数,在ADAMS中建立了圆柱滚子轴承的动力学模型,并完成了模型验证。在此基础上,探究了径向载荷、转速对圆柱滚子轴承的影响。结果表明:在转速与轴向预紧力一定的情况下,随着径向载荷的增加,轴承保持架稳定性变差,但滚动体与外圈的接触力增加且趋于平稳,瞬时冲击得到抑制;在径向载荷与轴向预紧力一定的情况下,随着转速的增加,滚动体与外圈接触力周期明显缩短,瞬时冲击增多。2、以主试验箱系统为对象,依据主试验箱结构特点和轴承特性分析,结合多体动力学方法,考虑箱体和主轴为空间柔性体,建立了主试验箱的刚柔耦合动力学模型。通过对比保持架转速的理论值与仿真值,以及对箱体振动信号的测试分析,验证了模型的有效性。3、依托所建立的主试验箱刚柔耦合动力学模型,完成了主试验箱系统的动力学特性分析,探究了不同转速、不同径向载荷对主轴振动的影响。结果表明:随着转速增加,振动加剧,且变化速率增加;径向载荷与振动并非成简单的线性关系,在5kN-12.5kN的径向载荷作用下,系统的振动可以得到抑制;极限工况下主轴变形较大,结构需进一步优化。4、针对极限工况下主轴变形过大,从结构刚度和轴承刚度两方面入手对主轴进行了优化,在此基础上,采用多目标优化方法完成了箱体的优化设计。结果表明:优化后主轴系统的静态、动态特性满足设计需求;箱体减重18.1%,实现了预期优化目标。