随着现代工业的进步与发展,高精设备对零部件机械性能的要求越来越高,但是在工程实际中许多零部件由于受到交变载荷的影响会产生疲劳裂纹,最终会导致零部件的失效。空化水喷丸技术是利用淹没式射流空化后形成大量的空泡群溃灭时释放的冲击波来强化金属零部件的表面,研究结果已经证明该技术和其他喷丸技术一样能在金属零件的表面形成残余压应力层,进而提高零件的疲劳寿命。但是目前国内对于空化水喷丸的研究起步较晚,对空化水喷丸工艺中的残余应力场的形成机理等基础理论的研究相对比较薄弱,从很大程度上阻碍了该技术的进一步发展和完善。基于此,本文运用数值模拟的方法来分析空化水喷丸强化20Cr齿轮的残余应力分布规律,并进行实验验证。本文首先阐述了目前较为流行的喷丸强化方法,介绍了传统的机械喷丸以及各种新型喷丸技术,随后介绍了空化现象产生的条件、空化水喷丸的原理,以及产生残余压应力的原理。通过将空化水喷丸强化20Cr齿轮的过程进行数值模拟,得出冲击波在齿轮中的传播过程以及不同加载时间、不同峰值载荷条件下加载时20Cr齿轮的残余压应力分布规律。将模拟结果与实验结果进行对比分析后,得出当加载时间为60μs,峰值载荷为3.5 GPa时的模拟结果与空化水喷丸实验中喷丸时间20 min测得的结果吻合较好。通过对比分析空化水喷丸强化20Cr齿轮的模拟结果和实验数据,表明本文运用的数值模拟方法能够对空化水喷丸加工工艺参数设计提供一定的理论支持。