喷丸作为一种工业上广泛应用的工件表面强化方法,是一种能够有效地改善材料疲劳性能的处理方式。高能喷丸是一种新型的喷丸技术,工件经高能喷丸处理后,不仅可以在表面产生有益于疲劳的残余压应力,而且能使表面晶粒发生细化,实现细晶强化。为了获取最佳的喷丸效果以及节约成本,还需要对高能喷丸参数进行优化研究,其中,有限元仿真是一种有效的研究手段。本文选取汽车后轴常用的42CrMo钢为研究对象,运用有限元分析和实验验证相结合的方法,建立高能喷丸有限元模型,探究了网格密度对模型预测纳米化结果精度的影响规律和普适性,优化了高能喷丸表面纳米化预测模型并结合实验探究了喷丸参数包括覆盖率、弹丸速度和直径对工件表面质量和晶粒细化程度的影响规律,并通过响应面法求解最优喷丸参数组合,分析比较了晶粒细化和残余压应力对疲劳性能的改善情况。等效塑性应变值(PEEQ)作为有限元仿真中判断晶粒细化程度重要的参数指标。通过建立不同撞击模式的高能喷丸有限元模型,证实了PEEQ值会随着弹丸和工件网格密度地细化而增加,尤其是弹丸网格密度在有限元分析中不可被忽略。在所有喷丸模式下获得的最大PEEQ值和工件及弹丸网格单元尺寸都呈线性关系,通过拟合可获得两者或者三者间的线性或者平面关系,以提高有限元分析效率。这些特性在高能喷丸有限元仿真中具有普适性。通过网格优化后的高能喷丸预测模型研究发现喷丸的覆盖率、弹丸直径和速度的增加均有利于表面纳米结构的生成和提升表层加工硬化程度。表层PEEQ值、硬度和半高宽值均随着覆盖率、弹丸直径和弹丸速度的增加而增加,其中覆盖率的增加使得三者增加更为显著,而弹丸直径的增加则是在层深方向上影响更为显著。高的覆盖率、较大的速度和直径是实现纳米化的有效途径,但同时也会对表面质量如表面粗糙度、应力集中和表面裂纹等缺陷造成不同程度的影响。针对受喷工件响应值的优化目标,运用响应面法对喷丸参数进行优化求解可得最优喷丸工艺参数组合为V=100 m/s,d=0.6 mm,C=1000%。结合疲劳试验分析,选取未喷丸组、不同参数组和最优参数组进行对比,结果显示最优组合可以使疲劳寿命提升最多,且受喷工件表层形成的纳米梯度结构可以有效地改善疲劳稳定性,弥补残余压应力松弛后抗疲劳性能的下降。