随着社会和科技的发展,重大装备需要满足更多元化的功能性需求和装配需求,因此其结构尺寸在不断大尺度化,且功能特征愈趋复杂化。众所周知,考虑到全尺寸装备的实验要耗费大量的经济和时间成本,实际中往往采用小尺寸的光滑件作为实验对象,但装备部件的疲劳强度通常会随其尺寸/体积的增大而减小,即广义尺寸效应。因此,尺寸效应的研究是小尺寸光滑件过渡到全尺寸装备的必然要求。影响尺寸效应的首要因素是在生产过程中由于制造、加工或机械磨损而出现的固有缺陷,其不仅会削弱铸造合金的疲劳强度,还会影响相关疲劳性能的离散性。其次,几何不连续性(如缺口)也是一个不可忽视的重要影响因素。受非均匀应力作用的影响,即使只承受单轴应力,缺口处和几何不连续部分也会出现复杂的多轴应力应变区域。然而,在重大装备的疲劳设计中,有效耦合缺口效应和尺寸效应的理论方法还有待进一步研究。根据所述的重大装备工程需求,结合现有尺寸效应研究,本文的主要工作总结如下:(1)尺寸效应相关的梳理和总结。从疲劳分析和固有缺陷的角度出发,系统的梳理总结四种主要尺寸效应来源及其各自的研究现状,量化了四种尺寸效应对疲劳性能的影响规律。其中,重点介绍统计尺寸效应和几何尺寸效应,并简要概述生产尺寸效应和表面尺寸效应。(2)考虑缺陷的疲劳寿命及统计尺寸效应概率模型。基于表面初始裂纹的损伤机理和威布尔分布,提出了考虑结构缺陷和统计尺寸效应的疲劳寿命概率模型。三种不同体积的铸铁和铝合金疲劳实验数据被代入模型进行验证。结果表明,在统计尺寸效应的预测上,所提模型比三种常见尺寸效应模型有着更明显的预测优势。(3)基于高应力体积法的尺寸效应概率模型。为同时考虑统计尺寸效应和几何尺寸效应的影响,基于高应力体积法提出一种不同几何试件之间疲劳寿命分布相互转换的概率模型。来源于三种铝合金和钛合金的各式几何形状缺口件被用于模型效果验证,结果表明所提模型具有较好的预测精度。(4)不确定因素下缺口件的疲劳寿命预测及可靠性分析。为量化研究载荷不确定性和缺陷尺寸不确定性对缺口件疲劳寿命的影响,将随机化的载荷分布和初始裂纹长度作为输入,在尺寸效应下对缺口件进行疲劳寿命预测和可靠性分析。