近十几年来,功率超声技术在疲劳试验领域中开始见诸应用。相较于以电液伺服或电磁激振为激振方式的传统疲劳试验方法,超声疲劳试验技术具有频率高、时间短、能耗低、效率高等优点。作为功率超声技术的核心,以压电换能器为激励源的超声疲劳振动系统成为疲劳试验装备研究的热门话题,正逐步应用于工业领域中某些高强度或高寿命疲劳零部件的检测中。鉴于上述背景,本文以功率超声技术原理为切入点,对基于纵向复合式压电换能器的超声疲劳振动系统理论与设计相关问题进行分析与研究。本文主要内容如下:(1)对超声疲劳振动系统的构成和实现原理进行阐述,建立连续振动体的纵向和横向振动模型并求解动力学方程。在此基础上,本文分析了喇叭形纵向振动试件、对称悬臂形弯曲振动试件以及镶嵌形试件的振动原理,给出相应的振型函数、频率方程及放大系数,对三种试件的尺寸进行理论设计和有限元优化。(2)比较超声领域中常用的三种压电换能器特点,最终选用复合式压电换能器作为激振源;建立复合式换能器动力学模型及等效电路模型,分析换能器相关参数及其与换能器尺寸和材料之间的关系;从滞后阻尼的角度出发分析换能器的损耗特性。(3)设计一种可实现共振频率有级调节的新型换能器,其频率调节范围为19~21kHz。通过压电材料特性、以换能器前后振速比及机电耦合系数为最优目标设计换能器压电陶瓷部分;提出新型换能器频率调节方案,通过有限元法设计调节砝码的尺寸和结构;设计换能器连接结构、保护罩结构和隔振结构;设计与换能器匹配的变幅杆结构。建立新型换能器的有限元模型,对新型换能器的共振频率、放大系数、电端阻抗等进行分析验证。(4)提出一种新型非对称力加载方法,这种方法能满足-500~500MPa静应力与-500~500MPa非对称应力的加载。设计新型非对称力加载装置的尺寸并进行仿真验证。(5)设计如下试验验证超声疲劳振动系统设计的准确性:位移监测试验,验证了喇叭形纵向振动试件与对称悬臂形弯曲振动试件设计的准确性;裂纹产生频率变化试验,观测试件从开始振动到裂纹发生时频率的变化;换能器阻抗监测实验,验证新型换能器频率调节措施的可行性及设计准确性;拍振效应频率估计试验,验证基于拍振效应估计超声振动系统的可行性。