Рассмотрены классические линейные и нелинейные модели вязкоупругих сред. Экспериментально установлено, что основной вид нелинейности возникает при больших деформациях и связан с изменением формы и положения релаксационного спектра по оси времен релаксации. На основе интегрального оператора типа Гаммерштейна синтезирована нелинейная модель вязкоупругих сред. Для идентификации модели предложены и строго обоснованы метод регуляризации на основе функционала Тихонова и метод регуляризации на основе критерия Байеса. Предложена кусочно-линейная аппроксимация нелинейного интегрального оператора типа Гаммерштейна. Проведена последовательность натурно-вычислительных экспериментов вязкоупругих характеристик гетерогенных полимерных сред при больших деформациях с использованием кусочно-линейной аппроксимации нелинейной модели типа Гаммерштейна.