随着现代科学技术的飞速发展,特别是在航空航天、交通轨道和医疗领域的发展,使人们对材料和零部件的性能提出了更高的要求。传统的观点认为零部件工作时的载荷低于一定值时,即被认为具有无限寿命。可是超声疲劳试验经过试验得出结果,在工作10~7循环周次以上时,零部件工作载荷低于疲劳极限时仍然会发生疲劳断裂,传统疲劳极限消失了。因此,对材料的超高周次疲劳性能研究十分有必要。但是若想得到材料10~7周次以上的疲劳性能和S-N曲线图,常规疲劳试验方法费时费力,有时甚至不可能完成。只有应用超声疲劳试验技术,才快速准确的研究材料超高周疲劳性能。本文从超声疲劳拉压试验的试件设计入手,从一维直杆试件振动位移微分方程理论和弹性波理论出发,进行超声轴向拉压变截面试件的设计。通过数学解析计算出超声拉压狗骨型试件的几何尺寸并利用ANSYS Workbench有限元软件分析试件受力状态,对试件进行模态分析和谐响应分析,从理论上阐明了试件的拉压振动特性,得到试件尺寸的优化设计方法;从理论上系统说明试件加工处理方法和超声疲劳试验的完整流程。基于材料比刚度概念提出新型拉压试件设计方法,首次将其应用于超声疲劳拉压试验试件设计中。此外,针对超声疲劳试件设计步骤过多和计算繁琐的问题,设计并提出了基于Matlab的超声疲劳试件设计界面,对超声拉压试件设计流程及方法进行了简化。论文对超声拉压试件断口进行宏、微观形貌分析,阐述了材料(铝合金、45号钢)超高周疲劳断裂机理和裂纹萌生、扩展方式。将Basquin公式进行系数修正,对超高周疲劳轴向拉压试件的疲劳寿命进行预测,并将预测得到的S-N曲线与试验后得到的实际S-N曲线进行对比,完善和推进了超声疲劳拉压试验下铝合金试件超高周疲劳性能研究的发展。在参考已知扭转疲劳试验方法的基础上,探索应用超声扭转转换装置进行超声疲劳纵扭复合试验的理论和方法;详细的阐述了超声扭转试件和超声扭转转换装置的工作原理、设计步骤和设计方法。这种新型扭转试验方法对超声疲劳扭转试验理论进行了补充。新型扭转疲劳试验方法为超声疲劳扭转试验提供新的可行方案,超声扭转转换装置提高了扭转振动转化效率,弥补传统超声扭转试验方法单一的缺陷。在超声疲劳拉压振动试验和纵扭复合振动试验过程中,疲劳试验装置可以稳定运行,各单元正常工作。试件在超声疲劳实验中的破坏形式和试件的有限元仿真分析结果一致。