一般情况下,较大的表面粗糙度将导致材料的疲劳强度急剧下降。为定量评估机加工表面形貌对结构疲劳特性的影响,本文围绕着表面形貌应力集中系数、机加工表面形貌疲劳缺口系数、应力驱动作用下的表面不稳定性及疲劳裂纹萌生等几个方面开展研究,具体内容如下:1)提出了复杂表面形貌有限元建模的新方法,依据线弹性力学计算了分形W-M函数构造的表面形貌在不同轮廓截止频率时的应力集中系数,分析了分形参数及轮廓谱矩参数与应力集中系数之间的关系。结果表明表面形貌对应力集中系数的影响与轮廓截止频率密切相关,轮廓二阶谱矩能够反映表面形貌的应力集中程度。2)采用谐波叠加的方式重构了机加工表面形貌,针对20个不同粗糙度等级的机加工表面形貌,定义了表面形貌的截断频率。采用有限元法,计算了机加工表面形貌表面各点的应力集中系数。采用有效应力集中系数来代表机加工表面形貌的总体应力集中程度,分析了特定截断频率下机加工表面形貌各表征参数对有效应力集中系数的影响,结果表明表面形貌斜率参数对有效应力集中系数的影响最为显著。3)分别采用Airy应力函数法和复变函数的边界扰动方法,分析得到了一阶精度下,微扰动谐波叠加表面形貌应力集中系数的解析解,并开展了数字图像相关试验及有限元分析,验证了该解析解的有效性。结果发现当谐波叠加表面形貌表面各点的斜率足够低时,表面各个扰动应力分量均满足叠加原理。4)通过与机加工表面形貌应力集中系数的有限元分析结果对比发现,微扰动谐波叠加表面形貌应力集中系数解析解适用于计算机加工表面形貌表面各点的应力集中系数。基于微扰动谐波叠加表面形貌应力集中系数的解析解,建立了机加工表面形貌应力集中系数的均方根值与表面形貌均方根斜率之间的函数关系式。5)基于微扰动谐波叠加表面形貌的应力场分布,采用临界距离理论中的点法和线法,获得了用于预测机加工表面形貌疲劳缺口系数的解析解。基于临界距离理论中的点法,定义了机加工表面形貌的截断频率。6)基于提出的机加工表面形貌应力集中系数及疲劳缺口系数的解析解,分析了机加工表面形貌轮廓截断频率对应力集中系数及疲劳缺口系数的影响。分析结果表明,机加工表面形貌的最大应力集中系数及有效应力集中系数会随着表面形貌截断频率的提高而提高;然而,当轮廓截断频率达到一定数值以后,机加工表面形貌的最大疲劳缺口系数及有效疲劳缺口系数会逐渐收敛。7)为验证提出的解析解在求解机加工表面形貌应力集中系数及疲劳缺口系数的有效性,针对三个不同的机加工表面形貌开展了有限元分析。结果表明,解析解与有限元解在预测机加工表面形貌应力集中系数方面,二者之间的相对误差在10%之内;基于临界距离理论中的点法,解析解与有限元解在预测机加工表面形貌疲劳缺口系数方面,二者之间的相对误差在15%以内;基于临界距离理论中的线法,解析解与有限元解在预测机加工表面形貌疲劳缺口系数方面,二者之间的相对误差在10%以内。8)考虑了金属材料的表面扩散效应,从线性稳定性分析及有限元分析两个方面,定量评估了高温工况下金属材料在循环载荷作用下的表面演化。线性稳定性分析结果表明,谐波频率高于第一临界频率f_cr时,该谐波成分会随着表面演化的过程而逐渐消失;谐波频率低于第一临界频率f_cr时,该谐波的幅值会随着表面演化过程而逐渐增加。表面演化最剧烈的谐波成分主要位于关键频率f_m附近。有限元分析方面,采用MATLAB编写了表面扩散过程的有限元程序,结合ABAQUS软件实现了机加工表面形貌在应力驱动作用下的表面演化及疲劳裂纹的萌生过程,结果表明表面形貌局部缺口由钝缺口向尖缺口演变,直至演变为尖点型缺口,该缺口预示着疲劳裂纹的萌生。