激光冲击强化技术通过对材料表层进行高压力、超快速、非接触的激光精准加工,从而调控材料表层残余应力分布、诱导表层梯度微观组织结构,进而实现材料疲劳性能的显著提高,在未来航空抗疲劳制造领域应用前景广阔。然而,目前对于激光冲击诱导金属材料表层微观组织特征及梯度结构的形成仍缺乏深入的理解、复杂工程结构表面残余应力调控技术仍缺乏充分的研究、激光冲击诱导表层残余应力分布与疲劳性能的内在关联仍不十分明晰。本文采用理论分析、数值模拟和试验研究相结合的方法,对激光冲击强化诱导TC4钛合金表层微观组织梯度演变规律和残余应力调控方法进行了系统地研究,在此基础上,探讨了钛合金在残余压应力环境下的裂纹扩展行为及迟滞特性。以飞机典型结构连接孔为研究对象,探索了激光冲击强化对工程结构细节使用寿命的增强机理,提出了激光冲击强化使用寿命预测一体化仿真方法,探索了激光冲击与喷丸复合强化工艺在抗疲劳性能方面的工程应用前景。主要内容及结果如下:（1）系统研究了不同激光工艺参数对TC4钛合金表层及深度方向晶体特征（晶粒尺寸、取向分布以及织构特征）、物相组成以及位错形貌演变规律的影响,分析了激光冲击诱导晶粒细化过程的微观机制,得到了激光冲击诱导梯度微观组织演化特征。研究了激光冲击强化对TC4钛合金局部（显微硬度）和整体（拉伸强度）力学性能的影响,测试了不同工艺参数激光冲击强化后显微硬度在深度方向的分布规律,基于微观组织特征确定了激光冲击强化的协同强化机制,在此基础上揭示了激光冲击诱导梯度方向微观组织与力学性能的对应关系。（2）建立了三维有限/无限混合单元激光冲击物理模型,避免了冲击波在模型边界发生反射,对比了混合单元和纯有限单元两种模型的计算结果,得到了既能准确反映表层残余应力分布又能提高运算效率的模型。利用单点激光冲击模型,对模型网格的收敛性进行分析,确定了最佳的三维网格尺寸。基于商业软件子程序的开发,实现了激光的多点搭接冲击数值模拟,在此基础上,研究了激光冲击强化工艺参数（峰值压力、冲击次数、光斑尺寸、搭接率）对表层残余应力梯度分布的影响规律。（3）深入研究了激光冲击强化TC4钛合金的裂纹扩展行为,分析了激光能量与光斑形状对紧凑拉伸（CT）试样表面残余应力分布的影响,探究了裂纹扩展试验前后残余应力场的演变规律,确定了激光冲击强化对裂纹扩展循环寿命的增益效果;通过da/d N-ΔK关系曲线,确定了残余压应力环境下裂纹迟滞效应的产生条件,深入研究了激光冲击强化的断裂特征与裂纹轨迹,揭示了激光冲击强化对裂纹扩展速率的抑制机理;使用叠加原理与权函数法相结合的方法实现了裂纹扩展过程的量化分析,进而对激光冲击强化后的裂纹扩展速率进行了预测,对残余应力在裂纹扩展过程中的影响作用进行了研究。（4）对激光冲击强化TC4钛合金典型连接孔结构使用寿命问题进行了比较全面的研究。通过对微观断口形貌和典型疲劳条带间距的分析,研究了激光冲击强化不同激光能量对连接孔试样使用寿命以及断裂特征的影响,揭示了激光冲击强化对钛合金孔结构使用寿命的增强机理。利用数值模拟方法分析了孔周围三维残余应力分布特征,基于商业软件对激光冲击强化使用寿命问题进行了“残余应力-循环载荷-使用寿命”一体化数值模拟研究,结果发现,增加表面压应力和孔壁影响层深度都能明显提高使用寿命。（5）探索了激光冲击与喷丸复合强化工艺对TC4钛合金表面完整性及使用寿命的影响。从理论层面分析了复合强化对表面粗糙度和残余应力的影响规律及影响因素,对比分析了激光冲击、喷丸以及复合强化三种工艺下TC4钛合金的表面形貌、显微硬度、残余应力和微观组织;以TC4钛合金连接孔结构为对象,研究了激光冲击、喷丸以及复合强化三种工艺的寿命增益效果和断口形貌特征,确定了复合强化对连接孔结构使用寿命改善的机制。