金属结构因其具有良好的物理特性,如延展性、强度大、熔点高等,而广泛应用于航空航天、铁路运输、石油化工等行业。在制造及服役过程中,金属结构表面或者内部不可避免地会产生不同类型和程度的损伤。其中,疲劳裂纹是一种最为常见且危害性极大的损伤形式之一。针对金属结构中疲劳裂纹检测问题,本文进行金属结构疲劳裂纹混频非线性超声检测方法研究。主要研究内容包括:(1)混频非线性响应提取方法研究。集成开发了一套水浸式非共线横波混频检测系统。为从检测信号中提取出微弱的混频非线性响应,发展了三种混频响应提取方法,即动态小波指纹法、三激励差法和极性反转法,并将三种方法应用于不同条件下混频检测信号处理。结果表明,极性反转法不仅适应性强,且所提取的混频响应的信噪比更高。(2)疲劳裂纹非共线混频最佳检测条件确定。基于数值仿真及检测实验,研究相互作用角和频率比对疲劳裂纹产生的和频纵波幅值的影响,确定了疲劳裂纹非共线横波混频检测的最佳相互作用角。同时,该最佳相互作用角与裂纹方向密切相关,且该角度小于基于经典非线性理论获得的两横波的相互作用角。(3)基于混频非线性超声的疲劳裂纹方向测量。建立了典型金属结构(块体和板)中混频非线性超声检测仿真模型,研究混频波(和频纵波或和频S0模态)传播方向随微裂纹方向的变化规律,提出了一种基于混频波声场指向性的疲劳裂纹方向检测方法。通过典型金属结构中疲劳裂纹非共线横波混频检测,证明了该方法对于疲劳裂纹方向测量的有效性。(4)基于混频非线性超声的疲劳裂纹长度测量。根据微裂纹混频检测仿真以及非共线横波声场数值解,对不同检测深度非共线横波声场交叉区域进行了量化分析,发展一种基于两横波声场交叉区域的疲劳裂纹长度测量方法,并将其应用于典型结构中疲劳裂纹长度测量。实验结果表明,该方法可以有效实现疲劳裂纹尖端闭合区域检测,且裂纹长度的测量精度更高。