由于垫片材料的非线性及组合结构各部件之间接触的非线性等多重非线性特性的影响,使得螺栓连接组合结构的力学特性变得较为复杂。为了研究组合结构整体力学特性,本文对螺栓法兰垫片连接组合结构的非线性静动力学建模方法、组合结构的准静态密封特性和动力学响应机理等进行了研究,具体研究内容包括:1)考虑垫片材料非线性及各部件之间的接触非线性,建立了组合结构非线性静力学有限元模型。得出了不同装配连接工艺下螺栓残余预紧力及垫片接触压力仿真计算结果。与试验测试结果进行了对比,验证了仿真计算模型及计算结果的正确性,得到了满足组合结构密封特性要求的最优螺栓装配连接工艺。2)考虑气缸垫材料非线性及接触非线性,建立了柴油机关键件组合结构非线性静力学有限元模型。研究了不同装配连接工艺对柴油机气缸密封特性的影响,得到了满足该高强化柴油机气缸密封特性要求的最好缸盖螺栓装配连接工艺,为高强化柴油机关键件组合结构气缸密封特性的现代设计提供了指导。3)提出了无垫片及采用不同材料垫片的螺栓法兰连接组合结构,计算了不同组合结构的预应力模态响应频率与振型。通过与相应的组合结构模态试验进行对比,确定了模态仿真计算结果的准确性。计算结果表明:与采用线弹性材料的铝合金垫片相比,采用石墨填充金属缠绕垫片,组合结构前两节弯曲模态频率分别减小了13.5%和13.7%;组合结构轴向具有不同的拉压模态。4)发现了组合结构轴向整体刚度具有明显的拉压非线性特性;提出将组合结构的螺栓连接部位简化等效为轴向双弹簧-弯曲梁解析模型,发现了组合结构螺栓连接部位在轴向也具有拉压非线性刚度特性;当组合结构无垫片或者采用线弹性材料的铝合金垫片时,其轴向拉压刚度都呈双线性关系;当采用非线性材料的石墨缠绕金属垫片时,其轴向拉压刚度呈现很强的非线性关系。5)将组合结构简化为弹簧-质量系统,建立系统的振动控制方程,求解振动方程可知:在轴向载荷作用下,组合结构只产生轴向振动。在横向载荷作用下,当弹簧轴向刚度分别为常数或者刚度为位移的一次函数且振动控制方程的质量矩阵耦合时,组合结构只产生横向转角振动,当弹簧轴向刚度分别为位移的一次函数且振动控制方程的质量矩阵不耦合、弹簧刚度为双线性和刚度为位移的二次函数时,组合结构产生横纵耦合振动。在轴向和横向耦合冲击作用下,组合结构也产生横纵耦合振动。6)将垫片材料非线性及各部件之间的接触非线性转化为弹簧的轴向刚度非线性,建立了螺栓法兰垫片连接组合结构的轴向拉压非线性刚度简化动力学有限元模型;在轴向和横向载荷分别作用下,对组合结构简化动力学模型进行了有限元仿真计算,得到了组合结构轴向及横向振动特性。结果表明:简化动力学模型的有限元计算结果与机理模型的解析分析结果具有较好的一致性。设计了组合结构瞬态动力学冲击试验,验证了所提出的组合结构非线性简化动力学模型和机理分析模型的正确性,并在现象上验证了动力学机理模型的理论预测。7)采用非线性弹簧单元,对某高强化柴油机关键件组合结构的缸盖螺栓连接部位进行重新建模,将弹簧单元的轴向刚度非线性纳入到柴油机关键件组合结构的整体动力学分析中;对该柴油机关键件组合结构进行了整体动力学计算;首次预测出在轴向冲击下组合结构只出现较大的轴向位移,在横向冲击下组合结构产生横纵耦合振动;验证了本文的提出的非线性简化动力学建模方法更为安全可靠。