基于激光冲击作用过程(LSP),利用脉冲激光的力效应进行成形加工,是一种具有非接触、无热影响区、成形精度高等突出优点新技术,具有广泛的应用前景。近年来,国内外学者对此展开了广泛的研究,并在激光作用机制以及激光喷丸微成形领域取得了大量的成果。本文在分析国内外有关金属板料喷丸成形和板料校形技术的基础上,对基于激光冲击波技术的金属板料激光冲击变形机理进行了研究,并首次应用于金属板料的校形。所以,这项研究工作不仅具有重要的科学意义和理论价值,而且具有重大的经济价值。本文首先对金属板料激光冲击变形的基本理论进行了研究。阐述了激光冲击板料变形的三个主要步骤:(1)激光冲击波的产生;(2)激光冲击波在金属表层产生一定深度分布的残余压应力;(3)残余压应力释放使板料生弯曲变形。由于残余应力分布的不同板料产生两种变形机制:convex和concave机制。残余应力与压力波峰值相关:当激光冲击波峰值压力P小于材料的Ph(HEL)时,材料不发生塑性应变,没有残余应力;当冲击波峰值压力P在1HEL和2HEL之间时,材料开始发生塑性应变,且塑性变形呈线性增加;当冲击波峰值压力P大于材料的2HEL时,而塑性卸载后塑性应变达到饱和值2Ph/(3λ+2μ)。通过单条激光冲击区冲击试验表明,在同样的激光参数作用下,由于试样的厚度不同,表现出不同的变形形态。如对厚度为1.75mm和0.25mm的材料进行对比试验,可以明显看出在0.2-0.5J不同能量作用下0.25mm的铝板都成形concave的状态,而1.75mm的铝板在各种能量作用下都呈现convex的弯曲状态。同一厚度的材料在concave变形机制条件下随着能量的增加而增加,在convex变形机制下则变化不明显。可以看出,在一定的激光能量密度,和工艺参数条件下,存在着一个厚度阈值。厚度大于该阈值变形机制为convex,厚度小于该阈值变形机制为concave。在本论文研究过程中厚度阈值在0.7-0.88mm之间,且随着能量的增加,变形机制转变阈值略有增加。在concave机制下材料的变形对能量较敏感,而在convex机制下则不敏感。基于上述研究结论,论文针对concave变形机制下的变形量进行系统研究。利用单条激光冲击区冲击试验,对材料厚度、激光能量、扫描次数和扫描速度对变形量的影响进行单因素影响研究。在concave变形机制下,板料弯曲角度随厚度的增加而迅速减小,可以用三次曲线进行拟合,这主要由于与材料的抗弯刚度随厚度呈三次方增加。当其它各参数不变时,增加光束能量后,能量密度(入射到单位表面积上的能量)随之加大,在开始阶段板料弯曲角度迅速增大,到达峰值后弯曲角度停止增长。材料的弯曲角度随着激光冲击的重叠次数的增加迅速增大,当重叠次数达到三次以后,材料的弯曲角度的弯曲角度不再增加。弯曲角度随着扫描速度的增加而迅速减小。另外,对试样正反面的残余应力测试结果也表明在材料表面形成了有益的残余压应力。同时,利用正交试验法,对激光喷丸弯曲成形的工艺参数(激光能量、扫描速度以及重复次数)进行了全面评估。按其变化对弯曲变形量影响的大小排序,它们依次是扫描速度、扫描次数和激光能量。所以,扫描次数和扫描速度是两个重要的影响因素,对弯曲变形量影响明显,即它们对增加弯曲变形有很大潜力。论文运用有限元软件ANSYS和LS-DYNA,按照显式-隐式顺序方法,对金属铝板的激光冲击变形机制进行了仿真研究,获得比较理想的分析结果。仿真结果表明,在加载压力一定的情况下,随着材料厚度的增加,材料的变形从凹变形向凸变形转变,变形机制的转变阈值在0.25mm左右;在材料厚度一定的条件下,随着能量的增加即压力波峰值的增加,从凸变形向凹变形转变,变形机制转变阈值在0.5J左右。这与试验结果的变化趋势是一致的,但由于峰值压力的估算存在一定的误差,变形机制的厚度转变阈值比试验结果要小。论文在显式-隐式顺序求解的基础上,提出了等效初应力载荷的静态分析方法,把激光冲击工艺参数等效成初应力载荷,可以对大规模的脉冲成形问题进行分析。等效应力的方法是基于试验与仿真变形的等效关系建立的,避免了压力波估算的误差,可以对材料的变形进行精确仿真,求解速度快。它首先通过仿真方法建立等效应力与变形量之间的关系,然后通过试验建立试验参数与变形量之间的关系,进而得到试验参数与等效应力的联系。为研究激光冲击条带分布的成形和校形问题奠定了基础。论文通过激光冲击区域的条带分布来对二维变形问题的进行研究。通过条带冲击试验,研究了0.52mm厚度铝板在一定的试验条件下,分别对脉冲带间隔为2mm、3mm、4mm、和5mm进行试验研究,试验结果表明随着条带间隔的增加,材料的总变形角度有所减少,间隔越小总变形量越接近于单条带变形量×条带数目。同时间隔越大成形试样出现明显的折弯痕迹,合理的条带中心距离为2-3mm。通过等效应力方法构建了分析模型,对应力区间隔为零,以及条带中心距为2mm、3mm、4mm和5mm的试验工况进行了仿真,仿真结果与试验有很好的一致性,可以有效地仿真条带分布的试验工况。论文运用ANSYS的优化设计方法,建立了用于板料校形的优化分析文件和优化控制文件。并结合等效应力分析模型,运用ANSYS优化设计模块,设定校形目标,对校形板料加载应力进行求解。得到校形的等效应力值,并运用等效应力与工艺参数对应关系图,求得校形等效应力所对应的校形工艺参数。利用获得的工艺参数对弧高为2.1mm的弧形弯曲板料进行校形试验,获得了满意的校形效果。