机械结构的疲劳断裂往往造成突发性安全事故，带来巨大的人员和经济损失。作为研究疲劳裂纹相关问题的重要手段，疲劳裂纹扩展的数值模拟方法能够经济、高效、直观地对机械结构中疲劳裂纹的扩展行为进行预测，一直受到相关研究者的重视。研究机械结构中疲劳裂纹扩展形貌的演化规律，能够进一步提高机械零件的疲劳寿命预测精度，具有一定的理论意义和工程实用价值。本文对复杂机械结构中疲劳裂纹扩展的数值模拟方法进行了研究，在此基础上，利用理论研究、数值模拟和实验数据验证相结合的研究方法，系统研究了机械零件的局部结构及边界条件的变化对疲劳裂纹扩展形貌的作用和影响，并在此基础上对结构疲劳寿命的预测方法进行了研究。本文的主要工作及研究成果如下：　　（1）对复杂机械结构中疲劳裂纹扩展的三维数值模拟方法进行了研究。建立了三维结构模型中面状疲劳裂纹扩展行为的参数化模型，实现了有限元网格对裂纹扩展前沿的动态追踪。在上述研究工作的基础上，发展了疲劳裂纹扩展的数值模拟方法，实现了对一般边界条件下，任意结构形状的机械零件的疲劳断裂过程的数值模拟，与保守估计法、形状假定法等传统的模拟方法相比，更具工程实用价值。　　（2）研究了片状疲劳裂纹扩展形貌的演化规律及其影响因素。对多种厚度尺寸的三点弯曲试样中片状疲劳裂纹的扩展过程进行研究，获得了试样厚度、初始裂纹形貌、初始裂纹长度等因素，对片状疲劳裂纹扩展形貌演化的影响规律。研究得到了寿命积分路径的选择对结构片状疲劳裂纹扩展寿命的预测结果的影响规律。提出了依据片状疲劳裂纹扩展形貌设定寿命积分路径的结构疲劳寿命预测方法，相对于仅依靠扩展长度和扩展速度两个参数进行结构疲劳寿命估算的传统预测方法，其预测精度进一步提高，且更具有工程实用价值。　　（3）对复合型疲劳裂纹扩展路径的偏折规律及其影响因素进行了研究。对变工况三加载孔非标准紧凑拉伸试样中，疲劳裂纹经历三次路径偏折的扩展过程进行了研究。载荷作用方向的改变，一直被认为是引起裂纹扩展方向偏折的主要因素，研究结果表明，裂纹扩展区试样局部结构的变化同样是疲劳裂纹扩展路径产生偏折的主要影响因素。进一步研究得到了以上两个因素对疲劳裂纹扩展路径的偏折规律，为精确预测结构疲劳寿命提供了理论依据。　　（4）基于三维疲劳裂纹扩展模拟的机械结构疲劳寿命的预测方法的研究。对在齿根不同位置萌生了裂纹的圆柱齿轮的疲劳断裂过程进行了模拟和研究，研究得到了疲劳裂纹在齿根处的具体萌生位置及初始裂纹倾角对轮齿断裂形貌和齿轮零件疲劳寿命的影响规律。得到了寿命积分路径的选择对齿轮零件疲劳寿命预测结果的影响规律。　　在分析和总结以上研究成果的基础上，提出了基于三维裂纹扩展模拟的结构疲劳寿命预测方法，利用问题统计，模拟分析和寿命预测三个步骤对机械结构的疲劳寿命进行预测，不仅能够提高结构疲劳寿命的预测精度，降低相关问题的研究成本，而且具有较高的工程实用价值。