激光冲击强化技术是一种利用高功率短脉冲激光与材料相互作用过程中产生的高压冲击应力波的力效应来改善金属机械性能的一种表面改性技术,可使材料产生塑性变形、残余压应力、以及高密度位错等,能有效地提高了材料疲劳强度。在航天、汽车等现代制造领域具有广阔前景。本文从激光冲击波诱导残余应力场的机理出发,对激光冲击强化钛合金残余应力场进行了实验研究和数值模拟,并研究了残余应力场对小孔件疲劳性能的影响以及疲劳寿命预测方法,取得如下研究成果。根据弹塑性动力学理论,探讨了激光冲击波的产生和传播机理,残余应力场的形成和估算方法。以ANSYS/LS-DYNA为平台,建立了激光冲击强化钛合金的三维和准二维有限元分析模型,阐述了激光冲击强化数值模拟的有限元理论基础,讨论了建模过程中的几个关键问题,获得了冲击后残余应力场的分布。针对激光功率密度对残余应力场的影响进行了数值模拟研究,模拟结果表明:在激光功率密度超过一定阈值后,最大残余压应力出现在表层之下,且随着功率密度增加,表面残余压应力不断降低直至出现残余拉应力。阐述了局部应力应变法的原理,应力集中与疲劳强度因子k_f的概念。收集并分析2024铝合金,7050铝合金的激光冲击与疲劳实验,讨论了激光冲击对缺口疲劳的影响。结果表明:激光冲击后,冲击区表面质量对疲劳寿命改善效果影响很大,尤其是表面粗糙度的影响。粗糙度明显改善时,寿命可提高6～9倍,无明显改善时,只能提高2～3倍。对于同样冲击效果的试件,不同的疲劳载荷水平会影响到寿命增幅。当疲劳加载水平高时,寿命提高幅度会变小,这可能与残余应力松弛有关。激光冲击改变屈服强度和弹性模量并引起晶粒细化,均对疲劳裂纹的扩展有很好的抑制作用。建立缺口件有限元模型,对激光冲击前后的钛合金小孔件模型进行了疲劳加载模拟与寿命预测,分别使用平面应变下缺口根部应力结果和非平面应变下缺口根部中间位置应力结果预测疲劳寿命,前者得到的寿命预测值要高于后者,冲击后的寿命是冲击前的1.9～3.3倍。