随着机械结构服役时间的增加,结构疲劳损伤诱发的断裂破坏事故也逐渐增多,疲劳断裂事故的发生具有随机性和瞬时性,因此,含疲劳损伤的结构时刻威胁着其本身的安全服役和劳动者的人身安全。大部分机械结构疲劳裂纹首先形成于金属材料表面,并在交变载荷的作用下逐渐扩展,严重影响着结构的承载能力和使用寿命。然而,目前仍没有较完整的用于解决表面裂纹疲劳扩展问题的理论。基于以上背景,本文开展了机械结构金属材料表面裂纹的疲劳扩展和损伤程度相关研究,探寻表面裂纹的疲劳扩展规律,为评估表面裂纹的损伤程度提供理论依据,以此提高机械结构的可靠性。本文主要工作及研究成果如下:(1)针对复杂条件下的应力强度因子解析法求解困难和传统有限元法求解过程繁琐的问题,本文分析了常用的应力强度因子求解方法,提出采用扩展有限元法计算复杂结构中或不规则形状裂纹的应力强度因子。采用扩展有限元计算了平板内表面裂纹的应力强度因子,计算结果与Newman-Raju公式求解结果基本一致,避免了采用解析法所需的复杂求解过程和传统有限元法求解时的裂尖单元奇异化处理。分析了T型结构参数变化对表面裂纹应力强度因子的影响,研究结果可以指导T型结构抗疲劳设计。(2)基于断裂力学理论对裂尖塑性区影响下的裂纹长度和裂尖应力强度因子进行了等效计算,基于等效参数模型分析了裂尖塑性区对疲劳裂纹扩展的影响。基于Eshelby等效夹杂理论修正了塑性区应力强度因子幅,采用修正后的塑性区应力强度因子幅分析了裂尖塑性区对裂纹扩展的影响,为计算表面裂纹扩展形状奠定基础。(3)为评估含表面裂纹结构的损伤程度,本文提出了一种基于有效能量释放率的金属结构表面裂纹疲劳扩展形状的计算方法。推导出平板内半椭圆形表面裂纹疲劳扩展过程中的形状参数变化函数关系,模拟出表面裂纹疲劳扩展形状演变过程。进行了Q345材料平板结构内表面裂纹疲劳扩展试验,试验结果与理论计算结果基本一致。计算了含表面裂纹Q345材料T型结构在拉伸载荷作用下的裂纹形状演变,基于扩展有限元法计算了不同形状表面裂纹前沿各点有效能释放率,验证了理论计算结果的正确性,分析了T型结构内表面裂纹在纯弯曲载荷作用下的形状演变。最后进行了金属材料箱型结构表面裂纹疲劳扩展试验,进一步验证了新方法计算结果的有效性。(4)基于Griffith能量释放理论分析了裂纹疲劳扩展时的声发射信号特征,采用将小波包变换与集合经验模态分解相结合的降噪方法对复杂环境下疲劳裂纹扩展声发射信号进行了降噪处理,进行了疲劳裂纹扩展声发射信号降噪试验,结果表明该方法降噪效果良好。(5)测量了断裂声发射信号在Q345材料中的传播速度,基于小波包分解和互相关性分析对降噪后的声发射信号进行延时估计,采用三传感器平面定位原理对声发射源精确定位。提出利用裂纹扩展声发射信号的频带能量分布系数作为特征参数对表面裂纹扩展损伤程度进行评估,采集表面裂纹疲劳扩展过程的声发射信号,建立了声发射信号频带能量分布系数与表面裂纹形状参数的函数关系。综合以上研究结论,实现了机械结构金属材料表面裂纹疲劳扩展的损伤程度评估。