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激光冲击强化技术因具有高应变率、高压等特点被广泛用于金属材料表面改性，激光冲击工艺参数与金属材料表面压应力的大小及分布密切相关。定量调控金属材料表面残余应力，突破激光冲击工艺参数对材料表面残余应力影响的常规工艺研究，是当前激光冲击强化技术的研究前沿与热点。本文针对激光冲击波诱导金属薄板动态响应与残余应力形成机制开展了相关理论和实验研究，为激光冲击波定量调控薄壁件表面残余应力提供了理论依据和技术支持。本文核心思想是：研究激光冲击波在金属薄板中的传播机制；在ns尺度探究激光冲击过程中金属材料表面的动态应变特性；研究激光参数、动态响应、表面残余应力分布之间的相关性，探索表面残余应力的形成机制；结合X射线衍射分析，探究微观组织结构与残余应力分布内在的对应关系。根据核心思想，本文以具有较好塑性的7050铝合金和较高强度的690高强钢为例进行了理论验证和实验研究，获得的主要结论和创新成果如下： 1）改进并完善了激光冲击波特性测试的原理和方法，以690高强钢薄板为例，首次综合正反两面的动态响应，建立了“激光冲击波传播模型”；结合模型中冲击波的传播机制，以ANSYS/LSDYNA为平台，对激光冲击7050铝合金和690高强钢薄板进行了数值建模，研究了不同时刻应力波的位置状态、传播规律及残余应力分布，并用激光单点冲击实验验证了仿真模型的有效性。 “激光冲击波传播模型”描述了纵向压缩波、反射波、透射波、反向拉伸波、剪切波、表面稀疏波和表面Rayleigh波的传播过程，比较全面的阐述了激光冲击波在690高强钢薄板中的传播机制。在数值模拟中，定义反射边界条件后，应力波在仿真模型侧面发生反射与透射，产生“残余应力洞”现象；定义无反射边界条件后，应力波在仿真模型侧面仅发生透射，残余应力场呈“双轴分布”，同时也获得了激光功率密度、光斑尺寸、脉宽对7050铝合金和690高强钢薄板表面“残余应力洞”影响的规律，最后激光单点冲击实验结果表明仿真模型有效。 2）基于“激光冲击波传播模型”并结合数值模拟结果，定义表面动态应变测试的边界条件，首次构建了“激光冲击加载金属薄板表面动态应变模型”，并给出测试方法；通过实验验证了上述模型的准确性和可靠性，同时首次发现了高应变率条件下金属薄板的动态力学响应规律。 根据PVDF压电传感器测得7050铝合金、690高强钢薄板的表面动态应变，结合剪切波在两种薄板中的衰减规律可知，当激光功率密度小于等于12.7GW/cm2，剪切波和表面Rayleigh波不产生耦合，这是表面动态应变模型的边界条件；通过激光冲击两种金属薄板所测实验数据，证明了“激光冲击加载金属薄板表面动态应变模型”准确可靠，同时证实了在高应变率下两种金属材料的动态应力-应变关系曲线均存在弹性阶段、屈服阶段、强化阶段，与静力拉伸条件下的静态应力-应变关系曲线类似。 3）基于金属薄板动态应变特性，首次开展了激光冲击工艺参数、动态响应、表面残余应力分布之间的相关性研究，探索了金属薄板表面残余应力的形成机制；以7050铝合金为研究对象，开展了残余应力洞形成机制研究，通过数值模拟结合实验验证，探索了稀疏波、纵波对产生“残余应力洞”现象的影响。 采用不同功率密度的激光冲击7050铝合金和690高强钢薄板，当功率密度为1.53 GW/cm2时，两种薄板表面最大残余主应力呈双轴分布；当功率密度为1.98 GW/cm2和2.77GW/cm2时，两种薄板表面最大残余主应力产生“残余应力洞”现象；当功率密度为4.07GW/cm2时，7050铝合金薄板最大残余主应力分布均匀，而690高强钢薄板表面残余主应力仍产生“残余应力洞”现象。当激光加载能量较小时，表面稀疏波与横向变形共同作用导致两种薄板表面最大残余主应力呈双轴分布。随着激光能量的增大，当边界条件设定为反射边界条件时模拟结果与实验结果具有良好的一致性，稀疏波向光斑中心汇聚是7050铝合金薄板表面形成“残余应力洞”的主要原因；变化铝合金薄板的板厚并测试其表面残余应力分布，结合动态应变曲线可知，在表面稀疏波与来回反射的纵波共同作用下，导致光斑中心区域薄板产生了较大的剪切塑性应变，降低了激光冲击波加载阶段产生的轴向和径向塑性变形，7050铝合金薄板表面产生了“残余应力洞”现象。 4）以具有较高强度的690高强钢为研究对象，研究了激光冲击强化690高强钢薄板表面微观组织特征及诱导纳米化形成机理，以“Bragg衍射峰宽化”为间接指标，探究了薄板微观结构和表面残余应力的相关性；再以易产生“残余应力洞”现象的塑性材料7050铝合金薄板为研究对象，将激光微织构工艺与激光冲击强化相结合，对7050铝合金薄板进行激光复合加工，调控薄板表面的残余应力分布。 实验结果及分析表明，690高强钢原始组织形貌为珠光体，在激光诱导高应变率条件下材料产生更多的微结构缺陷，有利于马氏体形核，马氏体转变量随着应变率的提高而增加，同时其晶粒不断细化；表面电子衍射花样最初为条状，最终为连续的同心圆，此时晶粒取向随机，尺寸基本上在50nm-200nm之间。激光冲击690高强钢薄板表面所对应的Bragg衍射峰发生了宽化，检测结果与表面TEM形貌的分析一致。7050铝合金薄板试样选取功率5W、相离的微织构工艺参数，所得到的残余主应力分布最优，薄板微织构的阵列小孔，对“残余应力洞”现象起到抑制作用；功率密度2.77GW/cm2脉冲激光冲击微织构薄板所得残余主应力分布最优。