振动时效是消减工件残余应力的一种有效手段,具有无污染、效率高,节约时间、能源、费用等特点。其消减残余应力的准则为当加载的动应力与残余应力的叠加大于材料的屈服极限可获得残余应力的减小。由于高刚度工件的固有频率高于现行激振器的激振频率(都小于200hz),因此现行振动时效装置都难以激发高刚度工件产生共振及消减残余应力的动应力,也就无法减小高刚度工件的残余应力。本论文针对现行振动时效装置存在的问题提出了非线性超谐式振动时效装置并研究了其机理和设计理论。首先,本研究提出了非线性超谐式振动时效装置及其数学模型。从激振频率和激振力两个方面研究了该装置消减残余应力的机理,得到了装置的非线性振动系统发生超谐振动时系统元件参数应该满足的条件以及由高刚度工件所需动应力与超谐项响应振幅之间的联系得到的非线性振动系统元件参数的关系。其次,分析了把高刚度工件简化为一质量弹簧系统的过程。分析了装置与工件的作用方式,并得出了装夹有工件的整个非线性振动系统的数学模型。最后,以轧辊辊身为例研究了非线性超谐式振动时效装置的设计。使用软件ANSYS对轧辊辊身进行模态分析得到其固有频率及阵型,由轧辊的残余应力计算装置所需的激振力。依照机理分析对装置元件参数之间的关系进行计算并确定其值。使用软件CATIA进行装置的三维实体模型设计。并对已设计的装置进行残余应力消减可行性验证,在此研究基础上提出了针对大刚度工件的振动时效装置设计理论。