高速气流作用下激光辐照结构诱导的热-力响应相似关系，因涉及多物理场之间的强耦合而非常复杂。笔者采用近似等效方法，将切向气流的作用等效为金属平板结构的力载荷和热载荷边界条件，建立了该耦合问题的无量纲控制方程，并结合主控因素分析，推导出了适用于高速气流与激光联合作用下的金属平板热-力响应特性的相似关系与尺度律。采用高速气流下强激光辐照金属平板的流-热-固多场耦合数值算例对该尺度律进行考核验证，结果表明：不同缩比率及不同马赫数条件下，满足该相似关系的缩比模型与原模型之间的热-力响应误差均在1%之内。本研究为高速气流条件下激光辐照缩比模型近似等效试验的开展奠定了理论基础。

通过数值计算模拟了激光诱导充压柱壳的热力破坏效应，研究了典型结构的动态爆裂过程，获得的破坏模式与实验结果基本一致。给出了三类典型破坏模式及其对应的参数范围，探讨了各类破坏模式的形成机理，并分析了不同光斑尺寸、壳体厚度条件下热软化效应对破坏内压阈值的影响，以及预内压与破坏时间的关系。研究结果表明：光斑半径越大、热软化程度越高，柱壳的破坏内压阈值越低，且破坏内压阈值随着壳体厚度的减小呈线性下降；给定激光参数和壳体参数下破坏时间随预充内压增大而减小并呈二次函数关系。给出了一种通过热软化程度预估激光诱导充压柱壳破坏时间的方法。

建立了能够反映高功率连续激光辐照碳纤维增强复合材料(CFRP)层合板时材料发生烧蚀、热解与层间开裂等热力损伤效应的多尺度分析模型。从细观尺度分别建立了纤维和基体的热解动力学方程, 通过热重分析获得热解动力学参数, 进而得到CFRP层合板宏观的热物与力学性能参数。通过内聚力模型建立了激光辐照引起层间开裂的分析模型, 提出并建立了热解和层间开裂效应阻碍能量传递的热阻模型。将多尺度模型获得的热-力学性能参数与热力耦合数值模型相结合, 模拟了高功率连续激光引起的烧蚀、热解及层间开裂行为, 模拟结果与实验结果吻合较好。

实验研究了CW激光辐照铝合金薄板的热力响应过程，利用三维数字图像相关技术(3D-DIC)结合红外测温系统对整个过程的变形场和温度场实现了全场实时测量。分析了入射激光功率对变形场和温度场的影响，发现变形和温度均随入射激光功率线性增长。建立了三维有限元模型对实验过程进行模拟，模拟结果与实验结果吻合较好，验证了有限元模型的可靠性。3D-DIC结合红外测温系统可以很好地对激光破坏试验中的靶体变形场和温度场进行实时测量，是一种很有效的实验测量手段。

激光辐照结构物包含复杂的多物理场耦合问题，其存在流、热、固多种机制的耦合效应。结合计算流体力学(CFD)和有限元方法，对超声速条件下的激光辐照平板问题进行了热流固耦合分析。采用CFD方法得到平板附近流场分布，利用有限元方法计算平板的温度分布，并将二者结合起来实现流体和固体间的数据交互。理论分析确定了流场效应的最主要影响参数为来流马赫数与攻角。对于不同马赫数，激光区域在6Ma条件下存在温度的谷值，小于等于6Ma条件下主要体现为冷却效应，而6Ma以上主要体现为气动加热效应。攻角增大会导致激光区流体质量流量的增加，使冷却效应更加明显。最后综合分析了流场气动加热和冷却两种效应的产生机制。

采用激光冲击强化技术对初始相为奥氏体的NiTi形状记忆合金进行强化处理，研究了NiTi形状记忆合金力学性质的变化。实验发现激光冲击强化后NiTi合金的影响层深度在300 μm左右，表面硬度提高了约10%。通过数字图像相关技术从拉伸过程拍摄的照片中得到材料的应变，从而获得NiTi合金的应力应变关系的变化。激光冲击强化后NiTi样品的超弹性应力应变曲线表明相变应力几乎没有变化，马氏体的屈服应力下降了约100 MPa，最大相变应变减少了13%。激光冲击强化产生的超高应变率的塑性变形导致材料硬度提高，超弹性应变减少。

建立了能够反映激光、流场和结构相互作用的热流固耦合数值计算方法，用于模拟超声速气流（马赫数1.2~4.0）作用下强激光辐照靶体结构的失效行为。分析了不同耦合策略对数值计算结果的影响。研究了激光功率密度及来流马赫数对屈服失效和熔融失效行为的影响。结果表明:激光功率密度对失效辐照时间影响显著；存在一个临界马赫数，使得达到屈服失效和熔融失效的辐照时间最长。通过定量分析激光辐照下不同马赫数的气动生热、散热及能量分配，解释了临界马赫数存在的机理。

为了研究激光冲击强化(LSP)过程中冲击波柔性加载条件下靶材的表面形貌与变形机理的联系，采用短脉冲强激光对304奥氏体不锈钢表面进行LSP处理，在没有对材料表面进行腐蚀的条件下，利用光学显微镜直接观察了LSP处理后材料的表面，并分析了其表面形貌特征与形成机理。研究发现，表面形貌呈现了多晶面心立方(FCC)金属的塑性变形特征，所浮现的形变组织能够直接反映材料在冲击波加载下的变形机制。实验结果表明，激光冲击后材料的表面形貌与塑性变形机制具有对应关系，这为LSP处理的变形机理的研究提供了一种新的实验方法。

考虑激光冲击强化后塑性区深度及最大残余压应力的影响因素和影响规律问题，运用量纲分析的方法获得了影响冲击强化效果的主控因素，并给出了塑性区深度及最大残余压应力与峰值压力、压力持续时间、光斑半径的关系；利用基于LS-DYNA的二维轴对称有限元模型，计算了不同参数条件下金属靶体受冲击载荷作用的动态响应。计算结果表明，塑性区深度与压力持续时间成正比；最大残余压应力与压力持续时间无关；一定光斑半径范围内，塑性区深度及最大残余压应力与光斑半径无关；峰值压力超过一定值时，塑性区深度及最大残余压应力与峰值压力近似成线性关系。