本文基于激光超声技术,实验测量了金属材料的弹性常数、残余应力以及表面裂纹,并建立了激光超声问题有限元分析的等效力学模型,在此基础上针对金属材料的激光超声无损检测进行了相应的有限元分析,主要内容如下:首先,自主研发了激光超声无损检测实验系统,该系统具有精度高、稳定性好、无破坏、完全非接触、适应各种恶劣环境等优点,为后续的激光超声实验测量材料的弹性常数、残余应力的深入研究奠定良好的基础。实验系统主要由激发系统、接收系统和预应力加载装置组成。激发系统由Nd:YAG激光器发出能量、频率可调的脉冲激光与样品相互作用来产生超声信息;接收系统由激光多普勒振动计、示波器和计算机组成,实现对超声振动信息的光学非接触检测;预应力加载装置可实现样品的约束和检测时的预应力同步加载。其次,提出了激光超声问题有限元分析的等效载荷法,并在此基础上模拟了激光超声测量材料弹性常数的物理过程。脉冲激光被等效成在时间和空间上均满足高斯分布的载荷,并通过引入修正系数建立了脉冲激光的物理参数与载荷的定量关系,该方法有效地避免了热-力耦合问题。采用激光超声方法实验测量了金属材料的弹性模量和泊松比,通过测量激光诱发的超声纵波和表面波的传播速度反演材料的弹性常数。提出了实验数据线性拟合的方法消除了实验中接收系统的时间延迟问题,通过拟合曲线的斜率可以求得超声波的传播速度,该方法不仅精度高而且可以求得实验系统的时间延迟量。最后,探讨了激光超声检测残余应力时检测角度与表面波速度的非线性关系,提出了沿着主应力方向检测为最佳检测路径的概念。从实验和有限元分析两方面研究了利用激光超声表面波检测残余应力和表面微裂纹问题。通过测量超声表面波在已知的加载应力场下的波速来得到材料的声弹性系数,在此基础上,采用激光超声无损检测的方法评估了焊接结构的残余应力,采用等效力学模型对焊接残余应力的检测进行了相应的有限元分析,所得的数值解与实验结果吻合良好。通过预设裂纹研究了激光超声表面波对于微裂纹的定位检测并探讨了裂纹的宽度和深度对反射波和透射波幅值的影响以及裂纹的低通滤波效应。本文的研究成果对金属材料力学性能的激光超声检测提供依据,也有助于激光超声无损检测技术进一步发展和应用。