随着现代工业和科学技术的进步,工业设备不断朝着大型化、复杂化的方向发展。许多机械设备的关键零构件服役环境也日趋恶劣,致使各种零构件疲劳破坏事故频发。疲劳破坏的特点是具有较强的突发性和隐匿性,零构件在发生破坏前很难被察觉,给设备的正常运行带来巨大的隐患,一旦破坏发生极易造成大型安全事故,对人们的生命财产安全构成了极大的威胁。制约整机寿命和可靠性的主要因素是机械设备零构件的疲劳寿命。因此,准确可靠的预测模型和寿命预测方法,是工程设备在服役期内安全稳定运行十分重要的保障,对合理制定设备维护保养决策,发挥设备的最大使用价值、节约成本等方面都有着重要意义。疲劳破坏过程具有复杂性和随机性的特点,传统的疲劳理论和寿命预测方法对于疲劳失效的解释不透彻,仍存在许多不足以及尚未解决的问题。本文基于非线性疲劳累积损伤理论,在疲劳损伤失效理论模型构建、疲劳寿命预测方法和疲劳仿真等方面进行了一系列针对性探索研究工作,相关研究内容和成果如下:（1）从材料剩余疲劳寿命的角度出发,考虑载荷间相互作用的影响并引入修正参数,基于S-N曲线提出了添加载荷间相互作用效应的非线性累积损伤改进模型。利用3种常见材料的经典疲劳试验数据对新改进的模型进行了验证,并与Miner准则和朱顺鹏模型的预测结果进行对比分析,验证了改进模型的有效性和准确性。（2）结合叶笃毅模型及其相关改进模型的特点,从其存在的共同点出发,引入载荷相互作用影响因子参数k,提出基于叶氏模型的广义表达式。该式可通过参数k的取值变化实现几种不同模型之间的转换,对叶氏相关模型进行了形式上的统一表达。对参数k取值为3时的新改进模与现有的4种叶氏相关模型分别进行了两级载荷和多级载荷下的对比试验,发现疲劳寿命预测模型对不同材料的预测精度与参数k有关。（3）在建立的广义表达式基础上,提出了一种疲劳寿命预测新方法。利用45钢等4种常用经典金属的疲劳试验数据从两级载荷和多级载荷两个角度对新方法进行了验证,并与叶氏模型及其相关模型进行对比分析,结果显示新的疲劳寿命预测方法在原有模型的基础上进一步提高了疲劳寿命的预测精度。（4）针对目前工程中较为常用的应力疲劳寿命仿真进行了论述和简要的案例分析,指出了目前疲劳仿真存在的问题和不足,明确了疲劳仿真软件关于非线性累积损伤理论的研究方向。