金属构件在承受交变载荷时往往会发生疲劳断裂,而喷丸是一种可大幅提高结构件疲劳强度的表面强化工艺。喷丸工件表层的残余压应力可部分抵消外界载荷,是目前公认的改善抗疲劳性能的主要强化因素;而喷丸工件表面由于弹丸的冲击变得凹凸不平,粗糙度往往会增加,导致应力集中效应增大或者表面微裂纹的生成,常被视为降低疲劳强度的弱化因素。故本课题研究的总体目标是基于新的建模理论或方法,从上述正、反两个方面综合探究喷丸强化的机理,优化喷丸工艺参数,提高喷丸强化的功效,为实际工业生产中喷丸参数的合理选择提供技术支持。开展上述研究的科学意义在于综合分析喷丸表面粗糙度和残余应力对疲劳寿命的影响,而现有研究大多仅研究喷丸残余应力的强化作用,而忽略了喷丸表面粗糙度的弱化作用,或仅研究其弱化作用而未进行两者综合作用分析。本文通过设计相关实验并结合仿真手段,在实验研究中分析了不同丸粒参数对喷丸表面粗糙度、残余应力以及疲劳寿命的影响,得到了以提高疲劳寿命为目标的优化参数组合;在仿真研究中揭示了喷丸表面粗糙度降低疲劳寿命的机理以及喷丸残余应力场对裂纹扩展的抑制作用机理。本文主要研究内容如下:(1)首先对铝合金表面进行不同工艺的喷丸强化处理,然后利用光学轮廓仪和X射线应力衍射仪分析了不同喷丸工艺下试样的表面形貌及残余应力分布,从而设计了三因素两水平的正交试验,并从统计学角度研究了丸粒尺寸、弹丸材料、喷丸方式对疲劳拉伸性能的影响。实验证明:喷丸强化对2024铝合金疲劳性能的提高主要是残余压应力强化因素和表面粗糙度弱化因素两者共同作用的结果。(2)本文提出一种采用数值模拟计算喷丸表面粗糙度进而预测裂纹萌生寿命的方法。首先利用ABAQUS有限元软件建立多丸粒喷丸强化数值模型,然后选用Rz及Rsm作为表面粗糙度参数,设计正交试验研究弹丸尺寸、丸粒材料、冲击速度和弹丸数量对工件表面粗糙度的影响程度,进而分析喷丸表面粗糙度对应力集中系数和疲劳裂纹萌生寿命的影响。结果表明:疲劳缺口系数受到喷丸试样表面形貌参数Rz与Rsm的共同影响,疲劳裂纹萌生寿命并不受单一的表面形貌参数所支配,而与疲劳缺口系数密切相关。(3)根据裂纹扩展理论,利用有限元软件ABAQUS和疲劳分析软件MSC.fatigue进行联合仿真,通过疲劳拉伸实验验证了该仿真方案的可行性,最后对喷丸工艺参数化建模,设计正交仿真试验,从统计学的角度研究喷丸速度、丸粒直径、丸粒材料等参数对工件处于交变拉伸载荷下裂纹扩展性能的影响。研究表明:喷丸对试样裂纹扩展寿命增益主要表现在两个方面:裂纹终止尺寸的提高和裂纹扩展速率的降低。丸粒直径几乎与裂纹扩展寿命呈线性正相关;喷丸速度的提高对裂纹扩展寿命有增益影响,但随着速度的增大,增益效果逐渐减弱;丸粒材料对寿命也有显著影响,材质越硬,影响越显著。