超声冲击法是目前国际上最新的焊接结构疲劳延寿技术之一,因具有效率高、成本低、操作简单等优点,其广泛应用于实际工程结构的前景十分广阔。但是目前关于超声冲击疲劳延寿行为的研究大多数是针对疲劳服役前的焊接结构和小尺寸焊接接头,没有充分考虑服役焊接结构的特征。为此,本文基于服役条件研究超声冲击处理对焊接结构疲劳性能及残余应力演变的影响及其作用机理,包括超声冲击处理服役焊接接头的疲劳性能,焊接残余应力对超声冲击处理焊接结构疲劳寿命和超声冲击应力场演变规律的影响,以及高应力比下承载超声冲击疲劳延寿机理。采用有限元方法研究超声冲击处理路径规划对残余应力分布的影响,结果表明超声冲击处理从焊缝中间起始,在端部结束的路径规划所获得的残余应力分布最理想。关于切割对超声冲击处理试件疲劳寿命影响的试验研究表明:应先通过切割加工出疲劳试件的最终形状,再进行超声冲击处理。采用试验和有限元相结合的方法研究超声冲击处理服役焊接接头的疲劳性能。试验结果表明超声冲击处理可以提高服役焊接接头疲劳寿命,随着疲劳服役时间增长,超声冲击疲劳延寿效果不断衰减。对超声冲击作用于含表面裂纹试件的模拟结果表明,已有裂纹对残余应力分布影响很小,超声冲击处理不能消除裂纹或者改变裂纹方向。以Q345B钢对接接头、非承载十字接头和纵向角接接头为研究对象,采用试验方法研究焊接残余应力对超声冲击处理焊接结构疲劳行为的影响。结果表明:经过消应力处理后再进行超声冲击,可大幅提高高应力区疲劳寿命,并将疲劳破坏位置由焊趾转移到母材、焊根等区域。采用有限元方法研究超声冲击应力场在疲劳服役过程的演变规律,对包含对接接头和不同厚度十字接头的焊接、超声冲击处理以及加载和卸载过程进行模拟。结果表明:焊接残余拉应力促使超声冲击形成的近表面残余压缩应力在疲劳加载后发生大幅释放;相较十字接头,对接接头焊趾冲击压缩应力释放更为明显;随着板厚减小,十字接头的残余压应力释放量变大。残余压应力释放量主要取决于焊接残余应力在厚度方向的平均值和表面向下1.5-4 mm范围内的应力值。对十字接头进行了非承载超声冲击和不同承载力下超声冲击过程的有限元模拟。结果表明:承载超声冲击可以显著降低试件在疲劳加载过程中的平均应力,同时可显著降低其焊接残余拉应力,从而减小疲劳加载过程中的超声冲击残余压应力释放。承载力越大,平均应力和残余压应力释放量越小。承载超声冲击疲劳延寿效果与承载力大小正相关。