超声冲击成形是一种新的适用于小曲率板件成形的无模冷加工成形方法。应用该方法进行材料成形,可以在成形构件表面产生残余压应力层,提高其机械性能。超声冲击成形方法适用于大尺寸薄板成形,在加工制造领域,特别是航天航空制造领域拥有广阔的应用前景。本文开展2024铝合金试件自由和预应力超声冲击成形过程数值分析研究,对于弄清超声冲击成形机理、促进该方法的应用具有重要的理论意义和实际应用价值。根据超声冲击成形的物理过程,提出了分阶段建立超声冲击成形子模型的方法,建立了三阶段自由超声冲击成形数值分析模型(超声冲击子模型、数据扩展子模型和试件成形子模型)和四阶段预应力超声冲击成形数学模型(预应力施加子模型、超声冲击子模型、数据扩展子模型和试件成形子模型),对各受控参数下的窄板和方板试件超声冲击成形过程进行了数值分析。在超声冲击子模型中,分析了自由状态下冲击过程中能量的转换、应力波及等效塑性应变传递等规律,探讨了冲击速度、冲击针质量及形状、冲击枪运行速度和偏移距离等受控参数对残余应力的分布规律。指出试件内部的残余应力分布是非均匀的,试件表层的平均残余压应力在冲击枪偏移方向上的值大于在冲击枪运行方向上的值,且冲击速度和冲击枪偏移距离对残余应力的影响较大。应用数据扩展模型,将超声冲击子模型获得的应力应变数据进行扩展,并导入到试件成形子模型中进行数值分析,获得自由超声冲击下单曲率窄板试件变形和双曲率方板试件变形,并分析各受控参数对试件成形量的影响规律,指出残余应力分布与试件变形量之间的关系。通过对比窄板和方板试件的变形量,探讨试件表层残余压应力对试件成形的促进作用和试件内部残余拉应力与试件刚度变化对试件成形的抑制作用,分析其在不同受控参数下的影响程度。应用预应力超声冲击成形模型进行数值分析,探索了不同预应力状态对试件成形的影响规律,指出试件的预弯方向的变形随着预弯半径的降低逐渐增加,与预弯相垂直方向的变形逐渐降低;通过对比窄板和方板试件的预应力超声冲击成形,明确了残余应力分布和试件刚度变化在成形过程中的作用,指出试件刚度变化对成形的影响较大。提出了复杂轨迹的超声冲击成形数值分析方法,进行了“回”字形冲击轨迹成形的数值模拟研究,证明了该方法能对较规则的超声冲击轨迹成形进行数值模拟与成形预测。应用该方法获得的模拟试验结果表明,采用间隔区域冲击的预应力冲击轨迹可以获得单曲率柱面成形;采用圆形自由超声冲击轨迹可以获得双曲率球面成形。