钛合金具有比强度高、密度低、耐高温和抗腐蚀等特点,是目前航空航天领域首选结构材料,被广泛应用于飞机发动机叶片、机身、飞机起落架等关键构件。面对复杂的服役环境,钛合金在服役条件下往往因疲劳、磨损和腐蚀而失效。面向航空关键构件的抗疲劳制造和长寿命服役的需求,论文重点研究了TC4钛合金超声滚压加工高应变率大变形条件下表层残余应力演变规律和对表面性能影响分析,围绕超声滚压动态力学分析、有限元仿真、残余应力控制和加工表面宏微观性能等方面展开研究工作。基于超声滚压加工原理,对超声滚压运动特性进行分析,获得了超声滚压加工滚压头的空间运动轨迹,为超声滚压力学行为分析奠定基础。通过弹性冲击接触理论与压电传感器测试原理,获取了动态冲击力幅值与静压力和振幅的关系,为有限元仿真分析提供了动态冲击力函数的加载设定。借助超声滚压TC4钛合金形成的残余应力模型,对超声滚压残余应力形成及作用机制展开研究,分析超声滚压加工条件下由于超高频冲击波作用产生的残余应力场分布情况,为有限元仿真应力分析和表面性能的研究和改善提供了理论指导和基础数据。基于动态冲击力学模型,通过ABAQUS软件建立了超声滚压加工的三维有限元模型,对网格进行评估,定义动态冲击力加载的模拟仿真,揭示了不同静压力、振幅、时间下TC4钛合金表面残余应力及沿改性层方向的分布影响规律,仿真结果表明超声滚压加工后产生了较高数值的残余压应力,实现了应变强化。进行不同加工参数下的TC4钛合金超声滚压实验,采用全自动梯度应力检测及分析系统研究了超声滚压后钛合金试样的残余应力分布情况。实验结果表明,表面及沿层深的残余应力实验值与模拟值吻合较好,验证了有限元模型的精度。结合SEM等微观检测的结果分析,发现超声滚压加工后的表层形成了晶粒细化改性层,表层内晶粒被拉长,从晶粒细化角度揭示了最大残余压应力位于距表面一定深度处的原因。以加工表面形成高值压应力层为优化目标,确定了静压力、振幅和滚压次数的最优参数组合,为保障和改善超声滚压加工钛合金表面性能提供了实验依据和基础数据。借助表面质量检测手段,对不同超声滚压加工参数下TC4钛合金表面的宏微观性能(包括表面粗糙度、表面三维形貌、加工硬化、摩擦磨损性能)进行分析,探索超声滚压参数对表面形成特征的影响规律。通过粗糙度及表面三维形貌实验揭示了超声滚压加工后试件具有高品质的光整加工效果。加工硬化和摩擦磨损实验定量的分析了不同超声滚压加工参数下TC4钛合金表层硬度与耐磨性的影响规律。结果表明超声滚压加工后材料的宏微观性能均有明显改善。