金属结构在服役过程中,由于承受多种载荷作用及反复的检修和组装,会产生不同程度的磨损和损伤,这将使其性能、尺寸降低到无法再满足设计要求的水平。在保证结构可靠性的基础上对损伤的结构进行合理高效维修,是实现降低成本、提高效率、充分利用资源的有效途径。激光熔化沉淀技术的诸多优点使之成为金属结构的修复的优选或者首选的技术手段之一。同时,由于激光熔覆过程中,金属粉末本身快速熔化及凝固的特性,修复后结构存在耦合工艺参数及几何形貌的残余应力场,而对残余应力场进行定量分析是评估修复结构承载性能的基础。为实现对修复结构残余应力场及后续力学性能的分析,本文开展如下的研究:（1）提出适用于传统及超高速激光熔覆的热固耦合分析的热源模型。将粉末计算尺度研究结果并入到连续介质力学计算域,讨论应用传统及超高速激光熔覆技术进行高速列车车轴EA4T钢修复的热循环及残余应力分布,根据工艺特点及形成熔池的形貌进行热源模型建立及验证,利用试验熔池横截面等温线与数值结果的吻合程度进行热源参数标定,对比分析计算过程中考虑激光透射到基材并被吸收的能量与忽略该部分能量所得到的温度场,最后进行热源模型的适用性讨论,并给出一般性结论。对应工艺参数的热源模型参数分析结果表明:熔覆速度越快,进入基材的能量越小,高斯热源能量占比越大,激光能量对基材的影响系数越小。（2）基于增量有限元法的激光熔覆温度场及残余应力场研究。运用建立的热源模型,从数值的角度分析传统及超高速激光熔覆两种不同工艺在平板及回转体加工中的温度特性及残余应力场,在热-弹-塑性有限元模型中,综合考虑实际熔覆工艺中的热源移动、换热界面变化、搭接率、连续覆层的热作用、材料相变潜热等因素,得到不同熔覆工艺下残余应力在覆层表面及熔深方向的分布,揭示出激光熔覆残余拉伸应力幅值较高的危险位置。结果表明:超高速激光熔覆的冷却速率比传统激光熔覆高约10倍,接近于激光粉床增材制造的冷却速率;残余应力数值结果与电子散斑干涉辅助小孔法测试的残余应力结果吻合较好,熔深方向的最大残余拉应力出现在倒数第二个熔覆组（覆层次表面）,最外层覆层中存在压缩残余应力。（3）提出一种混合试验-计算数据构造全场残余应力的本征应变方法。针对尺寸较大几何复杂的实际结构,通过增量法进行残余应力分析存在非常大的计算和收敛困难的问题,基于本征应变方法对此类结构进行全局残余应力重构。首先通过典型的平板对焊构造模型讨论了构造参数如基函数及基函数的阶数、权重系数和取点策略对构造结果的影响关系,并对构造方法进行了验证,然后将模型应用于激光熔覆回转体的残余应力重构中。结果表明:通过本征应变法重构的激光熔覆多层多道次回转体结构残余应力场与试验结果及有限元结果均吻合较好,其计算效率与计算精度均较高,该方法可实现对不均匀热过程引入的残余应力场进行有效重构。（4）面向高速列车车轴轴座结构铁基材料熔覆修复后残余应力场对承载性能的影响研究。基于增量有限元法、本征应变构造方法,讨论初始应力场对结构承载能力的影响。从材料本构模型的角度,由试验测试熔覆成型的材料本构模型,通过定义两种不同的材料属性来区分基体与覆层,分析修复后结构在运行、牵引、弯道、刹车等工况下的承载性能,对比分析不同方法下修复后结构力学性能。结果显示:由于没有考虑热影响区过渡,通过不同的本构模型定义覆层及基材的方式计算得到的应力幅值在交界面大于初始应力得到的结果,轴座表面出现应力峰值,内部应力值较小。