本文研究了磨削加工表面的轮廓特征以及结合部的建模方法。将理论推导、试验验证和有限元数值仿真等方法相结合,建立了正交各向异性结合面的法向、切向刚度与实际接触面积、接触载荷之间的关系,并提出一种正交各向异性固定结合部等效虚拟材料的有限元建模方法。首先,利用轮廓采集仪沿不同方向测量表面轮廓数据,基于概率统计法分析了各方向轮廓的统计参数;基于功率谱密度法(PSD)推导了沿各方向轮廓的分形参数,并研究了分形维数和分形粗糙度两重要参数取不相同的数值时对轮廓曲线的影响规律;根据傅里叶变换(FFT)对不同方向的轮廓数据进行了频谱特性分析。统计方法分析表明,平面磨削表面轮廓沿不同方向的统计参数各不相同,轮廓特征的差异性很明显,但各方向的表面轮廓基本上符合正态分布规律。功率谱密度法分析表明,沿各自方向的分形维数以及分形粗糙度存在明显差异性。频谱分析的研究结果显示,沿各自方向的幅频特性各不相同,且高频率成份的幅值所占的比例远大于较低低频率成份的幅值。将0°和90°两个相互正交方向的轮廓数据导入ANSYS中,计算了两个正交方向上的切向、法向载荷与变形关系。结果表明:沿磨削方向的法向、切向刚度小于垂直于磨削方向的法向和切向接触刚度。其次,将平面磨削表面等效为正交各向异性粗糙表面,并将该表面的微凸体视为椭球微凸体。根据接触力学的方法获得了椭球微凸体的法向、切向刚度的理论模型。随后由分形理论将微凸体的刚度解析模型拓展至结合面上,建立了结合面的法向、切向刚度的解析模型,随后对法向和切向刚度的影响因素进行数值仿真分析。研究表明,提高结合面上的法向接触载荷、降低结合面上的切向载荷、提高粗糙表面的精度、提高配合材料参数等方法可以提高结合面上的法向和切向接触刚度。为验证所推导的法向、切向刚度的合理性,在ANSYS中建立了两粗糙表面的有限元模型,并研究了结合面的法向、切向刚度与实际接触面积、接触载荷之间的关系,将本文所推导的理论模型的计算结果与有限元分析结果进行了相互比较。随后,将接触层等效为均质的正交各向异性虚拟材料,对经过平面磨削加工表面的物理组织结构、表面轮廓的几何波动特征和接触层力学性质的分析,提出了一种接触层厚度的确定方法。材料的本构关系中包括9个互不相关的独立参数,依据所建立的法向、切向刚度与载荷之间的关系对本构关系中各参数进行了推导,并从理论上推导了完整的固定结合部正交各向异性材料的本构方程。最后,为验证正交各向异性结合面法向、切向刚度建模的合理性以及材料本构方程的正确性,设计了包含固定结合部的试验装置,根据试验测试的方法获得了含有固定结合部结构的模态振型以及振动频率。按照所设计的试验模型,在ANSYS中建立了含有接触层虚拟材料的有限元模型。将所推导的法向、切向刚度的解析模型以及等效材料的本构关系赋予接触层材料中,有限元方法获得了该模型的模态振型以及固有频率。对比实验与有限元结果发现,试验与有限元的模态振型基本上保持一致,且固有频率的相对误差小于10%,从试验与有限元数值仿真方面对本文所提出的结合面建模方法的合理性进行了验证。本文所提出的固定结合部建模方法,为结合部建模提供一种有效便捷的方法,将该方法与有限元方法相结合,可实现整机结构分析与有限元方法的集成化。