高铁制动盘、航空发动机、汽车减速箱等是机械制造领域的关键基础装备,它们都是由一系列零件和部件组合连接构成的复杂机械系统。螺栓连接是机械系统中最常见的一种连接方式,两个独立的零部件通过螺栓连接形成固结接触界面。固结界面的力学行为可导致机械系统的振动特性、摩擦磨损特性和装备可靠性发生根本变化。研究固结界面的接触特性和振动机理,对改善机械装备的动态服役性能,提高机械装备的可靠性具有至关重要的作用。固结接触界面的力学行为受微观形貌、材料属性、运行工况的共同作用和影响。固结接触界面无宏观相对运动,在法向载荷作用下,具有微观粗糙形貌的接触界面发生力学变形,产生界面接触刚度;具有切向摩擦力的接触界面并非完全粘滞,会产生切向微观滑移;另外,工程实际中加入润滑液后,形成混合润滑固结接触界面。因此,固结界面在粗糙形貌、接触变形、切向摩擦、混合润滑等多因素耦合作用下,具有复杂的接触特性,引起固结界面的力学行为具有典型的非线性特征。本论文以固结界面为研究对象,围绕固结界面的微观接触力学建模、界面接触特性参数量化表征、界面非线性振动响应机理等三个方面进行研究,揭示微观形貌参数、界面属性参数、运行工况参数与界面接触特性及振动响应之间的非线性映射关系,为机械装备动力学性能的准确预测,改善机械装备的动态服役性能,提高机械装备的可靠性提供理论基础与依据。具体研究内容如下:(1)针对目前微凸体力学模型的接触参量在不同变形阶段存在非单调、非连续、非光滑变化的问题,考虑微凸体经历弹性-弹塑性-塑性变形阶段,提出基于低阶椭圆函数的微凸体接触模型,实现了微凸体的接触刚度、接触载荷和接触面积随变形量在不同变形阶段单调、连续且光滑变化。考虑微观粗糙形貌、材料属性和名义接触面积的影响,定量表征了粗糙固结界面法向接触刚度的幂律变化特征,同时构建了法向接触刚度关于接触载荷的显式解析式,克服了现有统计学模型的接触参量表达式繁琐复杂且仅能获得数值解的缺点。对于不同的统计学接触模型,法向刚度解析解与数值解的最大误差小于12%。(2)针对现有切向微滑移固结界面的接触刚度比模型尚未考虑粗糙形貌和接触载荷影响的问题,推导了微凸体接触变形的应力-应变本构方程,提出了切向微滑移界面接触刚度比计算新方法,揭示了微观粗糙形貌和法向载荷对接触刚度比特性的影响规律,结合微凸体的切向微滑移模型,获得了界面等效微滑移系数与接触刚度比的定量匹配关系,并与现有接触刚度比模型进行对比。在实验测量方面,考虑声波反射系数在接触界面的衰减,改进了现有的超声测量模型,对于不同粗糙形貌的接触钢样,法向载荷为400MPa时,原始超声模型的接触刚度测量值与统计学模型预测值相差1.04GPa/μm,改进后的差值为0.08GPa/μm,提高了界面法向接触刚度的实验测量精度。(3)针对现有混合润滑界面接触模型难以准确描述界面属性与接触刚度非线性映射关系的问题,提出了基于等效薄层思想的混合润滑界面接触刚度计算方法,利用等效层的材料属性描述混合润滑界面接触特性,实现了润滑界面固体-液体耦合刚度的分离表征,对比了无润滑界面和混合润滑界面接触刚度的差异性,揭示了微观粗糙形貌、润滑液属性、接触面距离和实际接触面积对润滑界面总刚度和刚度分配特性的影响规律。研究结果表明,在界面初始接触阶段,润滑液对接触刚度影响明显,随着实际接触面积增大或接触面距离减小,微观粗糙形貌对接触刚度的影响增大。通过建立基于等效薄层材料参数的有限元计算模型,将前五阶固有频率和理论振型的计算值分别与模态实验的测量结果进行定量和定性对比,验证了方法的有效性。(4)围绕具有微观粗糙形貌和初始载荷的螺栓固结接触界面,推导了界面非线性回复力关于等效变形量的函数解析式,分析了粗糙形貌对界面回复力特性和接触固有频率特性的影响规律;考虑接触界面的静平衡位置偏移量,建立了螺栓固结界面的法向接触振动模型,研究了振动系统固有频率随界面初始位移的变化特性,揭示了界面微观接触参量与宏观振动响应特征的非线性映射关系。研究结果表明,微观粗糙形貌影响固结界面回复力特性和固有频率特性;接触振动系统的幅频响应特性具有非线性特性,存在幅值突变跳跃现象,减小固结接触界面的粗糙度或增加螺栓预紧力,可以有效降低螺栓固结界面振动响应的非线性程度,减小主共振区域。