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激光冲击成形是利用短脉冲强激光束辐照涂布在板料表面的固体吸收层材料,使其气化、电离产生强冲击波,板料在冲击波作用下发生塑性变形的技术。本文在课题组进行的大量激光冲击成形实验的基础上,对不同厚度的板料在激光诱导冲击波作用下的变形特性,以及激光冲击成形中的相关问题进行了理论分析,主要研究内容如下:目前使用的约束层种类较多,根据约束层材料的特性可分为三类,即:刚性约束层、液体约束层和柔性约束层。针对这三类约束层,本文从激光诱导冲击波的过程、气化物的压力衰减以及约束层对冲击波反射的角度,系统的分析了约束层对激光诱导冲击波强度与脉冲宽度的影响机制。本文在阐述应力波在板料中的传播过程的基础上,根据板料发生整体塑性变形的时间与冲击波脉冲宽度的关系将板料划分为薄膜、薄板、厚板、超厚板,并对不同厚度板料在冲击波作用下的行为特性进行了分析。金属薄膜在冲击波作用的同时发生整体塑性变形,薄膜的运动与冲击波压力之间的耦合关系最强,但薄膜厚度很小,应力波在薄膜内多次反射使薄膜内的应力趋于均匀化,因而可近似认为薄膜内的应力均匀分布。薄膜的变形量远大于薄膜厚度,其变形可以认为是中面受拉伸而引起的,因此薄膜变形过程中,膜力起主导作用。本文根据薄膜变形的膜力机制建立了薄膜的运动模型,从而推导出薄膜变形量与各参数的关系表达式。金属薄板的整体变形发生在冲击波作用期间,板料的变形与冲击波压力之间具有一定的耦合关系,因此薄板是在受自身运动影响的变动的压力作用下进行运动变形。本文根据薄板的受力模型和气化物的扩散模型建立了薄板的动压运动方程,并推导出薄板最大变形量公式。厚板的整体塑性变形发生在冲击波作用结束以后,因而厚板的整体塑性变形对冲击波的压力不产生影响。在冲击波作用期间,冲击波将其冲量传递给厚板使厚板获得一定的初速度,冲击波作用结束后板料在惯性作用下以该初速度运动变形。本文根据厚板的惯性运动特点建立了厚板的惯性运动模型,并求出厚板最大变形量与冲击波参数、材料参数之间的关系式。应力波到达超厚板背面时,其强度已衰减到低于材料动态强度的程度,因此不能发生整体塑性变形,只在前表面产生一定深度的微凹坑。本文根据塑性波阵面的间断关系、塑性波速与材料运动速度之间的关系,推导出理想弹塑性材料的残余应变表达式,从而得到板料表面凹坑最大深度的估算公式。表面粗糙度较高的板料,经激光冲击成形后板料前后表面的粗糙度显著降低。本文从应力波在板料后表面的微尖峰中的传播特性和空气背压两个方面对这一问题进行探讨。应力波在微尖峰中传播时,由于微尖峰截面积逐渐减小导致应力波发生反射和透射,且透射波幅值不断增加。随透射波幅值的增加,相应的紧跟在透射波后面的反射拉伸波的幅值也不断增加,当反射波的强度超过材料的拉伸极限时微尖峰便发生断裂,使微尖峰高度降低。另一方面板料的高速运动在板料背面的空气中产生一个高压背压区,当空气背压的压力超过材料的动态屈服强度时将对板料背面产生压研作用使微尖峰的高度进一步降低。在两者的共同作用下,板料背面的粗糙度显著降低。在航空弹性合金压力传感器薄片的激光半模冲击成形过程中,试样发生了局部反向变形,使零件形貌不能与凹模吻合,严重影响了冲击成形的质量。本文对产生反向变形现象的原因进行了分析,结果表明在激光冲击过程中由于激光能量较大,板料在与凹模接触时的残余运动速度较高,板料与凹模高速碰撞产生的反向运动速度大于板料发生反向塑性变形的速度阈值,从而产生了影响成形质量的反向变形。通过降低激光能量密度,避免了反向变形的出现,获得了较好的成形质量。凹模的半径对板料的最大变形量有重要的影响,本文从塑性变形能的角度对这一问题进行了研究。在凹模小于等离子体影响区半径时,随凹模半径的增大,等离子体传递给板料的冲量相应增加,从而增加了板料用于塑性变形的能量,因而板料的变形量也随之增加;当凹模半径大于等离子体影响区半径时随凹模半径增加,板料变形区域增大,而用于塑性变形的总能量不变,因而板料的最大变形量反而随之减小。凹模半径增加到一定程度后,板料变形区域不再增加,此时凹模半径的变化对板料最大变形量不再产生影响。激光冲击波成形是一种崭新的板料塑性成形技术,具有许多突出的优点,在工业生产领域具有广阔的应用前景,同时也为高压高应变率下材料的行为特性研究提供了新的方法和技术,因而也具有重大的科学研究价值。