土木工程和海洋工程中的金属结构,在服役过程中受循环荷载的反复作用,内部产生不断变化的应力,结构的疲劳破坏成为了不可忽视的重要问题。在结构中较大的主裂纹稳定扩展的过程中,其裂尖附近会有众多的微观缺陷不断地萌生、积累,与主裂纹相互影响,可能加速结构的疲劳破坏。本文以金属结构中的疲劳断裂问题为工程背景,发展了弹塑性扩展有限元法,改进了多尺度扩展有限元法,研究了弹塑性材料中裂纹发生稳定扩展的规律,及疲劳断裂过程中宏观裂纹与细观初始缺陷相互影响的机理。本文主要研究工作和创新点如下:1.将扩展有限元法拓展到弹塑性领域。采用弹塑性加强函数模拟裂尖附近的位移场,采用Newton-Raphson迭代法求解非线性方程,发展出了弹塑性扩展有限元法,可用于弹塑性材料中裂纹的稳定扩展的数值模拟。通过试验数据和ANSYS模拟,验证了本文算法的有效性。2.结合了多尺度投射技术和扩展有限元法,建立了多尺度力学模型,可使不同尺度的模型相互独立地用扩展有限元法求解,在宏观模型中忽略微观的不连续,用微观模型的结果修正宏观模型的结果。通过Matlab平台中自主编程实现算法,可用于对整体有较大影响的局部的微观不连续的数值模拟。并且通过算例,分析了关键参数（宏观网格密度、微观网格密度、微观计算域尺寸）对算法精确性的影响。3.通过在宏观模型中对混合单元的特殊处理,对多尺度扩展有限元法进行了改进。这样的改进,在宏观尺度上完善地重构了单位分解,可使裂尖附近的位移场结构更为精确,从而减小了必需的微观计算域的尺寸,并且可提高算法整体的收敛率,节省了计算量。4.以土木工程、海洋工程中金属结构的疲劳断裂问题为工程背景,研究了宏观裂纹与细观初始缺陷相互影响的规律。采用本文建立的多尺度扩展有限元法进行数值模拟,深入分析了微观缺陷的位置与其对宏观裂纹影响的关系,并为疲劳断裂的主动控制提出了建议。5.以土木工程、海洋工程中金属结构的疲劳寿命预估为工程背景,研究了细观初始缺陷对宏观裂纹扩展及疲劳寿命的影响,揭示了微观缺陷的存在对宏观裂纹扩展路径、扩展速率和疲劳寿命的影响,揭示了扩展过程中微观缺陷的应力集中变化。为金属结构的疲劳设计提供了参考。本文发展的弹塑性扩展有限元法、多尺度扩展有限元法,可准确、高效地模拟微观缺陷存在时的宏观裂纹扩展过程,预估扩展速率和疲劳寿命。根据工程应用背景,而提炼的关键问题及作出的建议,可为土木工程和海洋工程中的疲劳设计提供理论依据和设计参考,具有重要的应用价值,对认识该问题的力学机理有重要的学术意义。