随着表面改性技术和材料技术的发展,Ti C、Ti N、DLC等膜层和表面离子注入、表面二重硬化等强化层已经在滚动轴承和齿轮等典型摩擦副中广泛应用,尤其是长期工作在高速、重载和高温苛刻工况条件下或者面临短时断油特殊工况条件下的摩擦副。在面向工况的膜基体系设计和开发过程中以经验知识和试验为基础的试错法具有较大的盲目性和随机性,目前膜层及表面强化层的摩擦学应用尚缺乏公认的设计准则。为了研究获得接触副表面膜层和接触表面微观形貌对摩擦副接触特性的影响规律,以便为膜层的应用设计提供分析方法和理论指导,首先提出了一种基于随机交换系统的粗糙表面数值模拟新方法,模拟生成随机粗糙表面为接触模型提供表面数据,然后基于半解析法建立了均质膜膜基体系弹性点接触模型,梯度膜膜基体系弹性点接触模型以及考虑热分配的均质膜膜基体系热弹性点接触模型,并基于这些模型研究了膜层和接触表面微观形貌对接触特性的影响。结合极坐标法和Johnson转换系统,提出了一种基于随机交换系统的粗糙表面模拟新方法。通过采用迭代算法,模拟得到的粗糙表面的统计参数与指定的统计参数之间的偏差得到有效控制,而且克服了现有方法自相函数的拟合程度随自相关长度的增大而变差的不足,从而提高了模拟精度。对真实工程表面的模拟表明本文提出的模拟方法也可用于指数函数以外的自相关函数的粗糙表面模拟,扩大了应用范围。由Papkovich-Neuber势函数获得了均质膜膜基体系在表面机械载荷作用下弹性场的频域解,并采用基于快速傅里叶变换的影响因子矩阵转换算法转换获得与表面法向压力和切向力相关的位移与应力的影响因子矩阵,从而建立了球体与均质膜膜基体系的三维弹性点接触模型,并通过与赫兹接触理论的解析解和有限元解的对比验证了模型的有效性。基于此弹性接触模型研究获得了膜层弹性膜量、厚度及接触表面粗糙形貌对接触压力和次表层接触应力分布的影响规律。通过引入傅里叶积分变换进一步推导了指数型梯度膜膜基体系在表面机械载荷作用下弹性场的频域解,并采用影响因子矩阵转换算法转换获得了梯度膜膜基体系与表面压力和切向力相关的位移和应力的影响因子矩阵,从而将均质膜膜基体系的接触模型推广应用到梯度膜膜基体系的接触模型,并通过与均质膜膜基体系接触模型的解和有限元解的对比验证了模型的有效性。基于梯度膜膜基体系弹性点接触模型研究获得了梯度膜表面弹性模量和膜厚对接触压力和次表层接触应力的影响规律,并与均质膜的影响规律做了对比分析。最后本文还考虑了摩擦热对均质膜膜基体系点接触特性的影响。采用傅里叶积分变换推导了均质膜膜基体系在表面摩擦热源等作用下的温升及热弹性场的频域解,然后采用影响因子转换算法转换获得与表面热源相关的表面温升、热位移和热应力的影响因子矩阵,从而通过引入基于接触界面真实接触区温度连续的热分配模型进一步建立了考虑摩擦热分配的均质膜膜基体系三维热弹性点接触模型,并针对没有膜层的接触问题通过本模型的解与前人的研究结果进行对比验证了模型的有效性。基于此热弹性接触模型研究获得了滑动速度、摩擦系数、膜层热传导系数、膜层热膨胀系数及接触表面粗糙形貌对接触压力、接触表面温升、膜基体系表面热流及次表层接触应力的影响规律。本文所建立的模型和方法将对苛刻复杂工况下长寿命摩擦副表面膜层和强化层设计、固液复合润滑状态分析、寿命预测和失效模式转换预测等提供理论依据。