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在机械结构中，零部件间相互连接形成的接触面为结合面。对于现代数控机床而言，结合部的动态特性对机床的加工精度有着极大的影响。由于接触刚度阻尼是结合部动态特性的重要表征参数，因此其精确建模能够为机床零部件的设计与装配提供很好的理论基础。M-B分形理论是一种针对结合面的传统研究方法，该方法与有限元相结合能够实现产品设计阶段的动态性能预测，降低产业成本。本文基于M-B分形理论建立了修正的三维分形理论，并基于该理论进行了刀柄-主轴系统结合部特性研究。 该修正模型基于分形理论将结合面接触状态假设为一刚性平面与三维粗糙表面接触，并在微观上将微凸体的变形划分为完全弹性，弹塑性及完全塑性三个阶段，并将拓展因子引入了微接触点大小分布函数，建立了结合面接触刚度阻尼模型。以某一简单栓接件为研究对象，通过与有限元方法相结合对其进行动态性能分析，并与实验测试结果进行对比验证。主要工作有:利用ANSYS编程进行静力分析获得结合面各节点压强值;以得到的节点压强值及结合面分形参数（三维分形维数D及表面粗糙度参数G）为输入，利用MATLAB编程计算各节点处对应的刚度阻尼值，并通过MATRIX27单元建立节点-节点刚度阻尼矩阵，并进行模态分析及谐响应分析，实现了考虑结合面影响的栓接结构动态性能分析;通过与锤击模态实验所得到的结果进行对比，验证分形结合面理论模型的可靠性。 针对BT40与BTF40两种刀柄-主轴系统，基于修正的三维分形理论，分析了转速对两种系统锥面连接可靠性、径向及扭转刚度的影响，确定了其极限转速分别为15000r/min与25000r/min，并基于对两系统刚度的对比，从理论上说明了双面锁紧BTF40刀柄-主轴系统在高转速条件下能够改善锥面接触情况并提高结合部刚度;分别对两系统在极限转速条件下不同工艺参数对锥面接触率及结合部刚度的影响趋势进行分析，在BT40系统中得到了拉刀力的合理取值范围，及结合部刚度的预估模型;在BTF40系统中，得到了拉刀力、碟簧刚度、碟簧预紧力的合理取值范围。 为了能够在保证高联接可靠性、低成本高寿命的基础上进一步提高结合部刚度，论文通过应用Isight集成分析软件对系统进行多目标优化。由于BTF40型双面锁紧刀柄相对BT40型刀柄具有更优的动态性能，以BTF双面锁紧刀柄-主轴系统为优化对象。该优化方法中选用了粒子群算法，其优化结果能够有效的提高结合部刚度，改善结合部整体性能。