如何准确预测多轴应力工作状态下结构的寿命一直是学者们研究的热点。但是多轴疲劳问题非常复杂，国内外关于多轴疲劳的研究虽然有了一些进展，但在理论上还很不成熟。解决好多轴疲劳寿命预测方法以及其中的一些关键问题具有重要的理论意义和实际工程意义。本文对45号中碳钢薄壁圆管试件进行了拉-扭复合双轴加载的多种比例及非比例路径下的常幅疲劳寿命试验以及多种组合两级变路径的多轴累积疲劳试验。分析各个试件的迟滞回线，并得出损伤比-循环比的规律。应用所得试验数据对现有的常用疲劳损伤累积模型进行验证，基于Manson损伤曲线累积模型添加载荷路径变换因子，提出了一个适用于多轴非比例加载的非线性疲劳损伤累积模型，对本文提出的模型分别采用45钢变路径多轴疲劳试验结果、LY12CZ铝合金变路径多轴疲劳试验结果、304不锈钢变路径多轴疲劳试验结果进行寿命预测，并与Miner模型、Manson模型以及叶笃毅模型进行结果对比。预测寿命基本控制在2倍误差带之内，符合试验数据所描述的损伤比-循环比的规律。分别应用单轴和多轴方法，对飞机平尾接头进行寿命预测。多轴方法主要采用最大剪应力临界面方法。针对最大剪应力临界平面概念进行疲劳寿命分析，采用Dang Van高周疲劳破坏准则对危险点进行损伤的计算，最后采用Miner线性损伤累积理论进行损伤的累加，求得最终的结构寿命。结果表明，单轴方法预测的寿命要远远高于多轴方法。