近些年,航空航天、交通运输、核工业、机械等领域的迅速发展,对材料及零部件的性能也提出了更高的要求。传统疲劳试验方法的载荷振动频率较低,若想完成材料高周疲劳试验、超高周疲劳试验,不仅要花费大量的时间与成本,对于S-N曲线的绘制,甚至是不可能完成的。借助超声手段,在极大程度上节约了试验时间、减少试验成本,且通过对试验装置的调整,可完成拉压、弯曲、扭转等多种形式的疲劳试验。在上述背景下,本文以材料超声疲劳试验装置中试样的设计作为切入点,借助Microsoft Mathematics软件完成试样尺寸预运算,将试样各个尺寸作为设计变量,试样模态分析中共振频率、谐响应分析中所受最大应力值作为目标函数,尺寸变化对目标函数的动态影响作为约束条件,使用Ansysworkbench软件辅助完成试样的动态优化设计,找到试样设计中最关键的尺寸,并给出公差范围,在满足试验条件的情况下极大程度的降低试样加工精度,减少加工时间,节约加工经费。当试样所受应力值小于疲劳断裂所需应力值时,给出试样超声疲劳试验下的情况分析,并在不更换、添加变幅杆的情况下通过对试样的优化设计达到试验的断裂要求。提出以双臂悬臂梁模型完成材料超声疲劳弯曲试验,避免了传统三点弯曲试验在试验装置中添加弯曲加力压杆和静载荷加载装置,丰富了材料超声疲劳弯曲试验的试样模型。本文给出双臂悬臂梁试样的解析计算结果并完成仿真分析、动态优化设计,基于现有超声疲劳试验装置,搭建试验台并完成调试,顺利完成材料超声疲劳拉压、弯曲试验,完成试验数据的统计梳理,给出材料超声疲劳拉压、弯曲试验从试验的设计到试验结果梳理的完整化流程。提出中心镶嵌式的试样设计方法以完成贵金属、超硬金属的超声疲劳拉压试验,依靠过盈联结的方式实现夹体与试验材料的联结,以超硬金属18Ni马氏体时效钢(250)作为试验材料,30Cr Mn Si结构钢作为夹体,完成试样的理论分析、过盈量设计及装配工艺设计,并进行有限元分析及动态优化设计完成修正,以保证试样设计的准确性、可行性。其中试样动态优化设计的理念完善了材料超声疲劳领域中试样的设计和加工方法,更短的加工时间、更少的试验成本为材料超声疲劳试验的推广、试验成本的降低作出一定的贡献;双臂悬臂梁模型的提出简化了弯曲试验装置、弥补了弯曲试验模型单一的缺陷;对于贵金属、超硬金属材料提出的中心镶嵌式试样,也为材料超声疲劳试验中试验材料的选择与处理,提供了一种可行性方案。