发展高速列车是当今运输的趋势之一。高速列车的发展需要对线路和机车车辆系统的动力特性有全面、深入的理解，分析高速机车-轮轨耦合系统的非线性动力学响应，对机车运行的舒适性、安全性和平稳性有重大意义。 (1)本文建立了一个新的高速机车-轮轨耦合系统垂向非线性动力学模型。通过分析轨道结构系统动力响应，认为其在机车车辆荷载作用下处于弹性工作状态，因此建模时将地基处理为弹性地基，铁轨简化为无限长欧拉梁，机车简化为在非线性弹簧支持下的移动荷载，铁轨的振动和机车的振动相互耦合。通过受力分析，利用哈密顿原理建立系统的动力学模型，得到的系统方程是相互耦合的常微分方程和偏微分非线性方程。 (2)本文研究了系统的非线性动力学响应。首先对非线性动力学方程进行无量纲化，然后依次利用多尺度法和Galerkin法对系统的无量纲运动方程进行了摄动分析。查阅到的文献表明，机车的振动频率和铁轨路基的振动频率相等的时候以及机车振动频率是铁轨路基两倍的时候，振动将会明显加剧。因此，本文对系统进行了基本参数共振-1:11内共振和主参数共振-1/2亚谐共振的分析，得到系统的平均方程。利用数值方法得到了系统的波形图、平面相图和三维相图，分析了外激励对系统周期运动和混沌运动的影响。 (3)对基本参数共振-1:1内共振和主参数共振-1/2亚谐共振的情况都进行了大量的数值计算。根据数值计算结果，相位图和波形图可直观发现系统的运动状态。根据计算结果，固定一组参数只改变激励时，在基本参数共振-1:1内共振情况下的变化规律是从周期到混沌，系统在取定一组参数只改变外激励α<,02>会出现：周期运动→二倍周期运动→四倍周期运动→八倍周期运动→多倍周期运动→混沌运动，这样一个过程。当共振情形为主参数共振-1/2亚谐共振时，发现系统存在着从概周期运动→混沌运动的现象。