碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics,CFRP)因其轻质、高强和可设计性强等特点,越来越多地代替金属用于飞机的承力构件。这些大尺寸构件普遍形状复杂,其拐角区域(即R区)是制造和服役阶段的薄弱环节。借助无损检测技术及时检出R区内部缺陷,是实现CFRP构件质量控制的重要手段,其中相控阵超声检测(Phased Array Ultrasonic Testing,PAUT)技术被认为是最具发展潜力的技术之一。相比于均质各向同性金属材料,复杂形状CFRP构件R区具有明显的弹性各向异性和非均质性,具体表现为:声速不是恒定值,而是随传播方向在约3000～9000 m/s的范围内变化。在不同纤维方向铺层之间的界面处,声学特性失配,倾斜入射至该处的超声波将改变传播方向和声速。同时,R区纤维方向沿曲面形状连续变化的特征,导致声速分布还随位置变化,单铺层内部的声传播路径呈曲线。复杂几何形状、多层结构和弹性各向异性三因素间的耦合作用,导致声传播路径复杂难以预测,R区声传播机理不清。针对上述难题,本文围绕声学建模仿真、声线示踪方法和全聚焦成像检测三方面开展研究:首先,利用有限元模拟,分析材料对声传播行为的影响机制和噪声来源。以此为基础,研究反演重建复杂声传播路径的声线示踪方法。最后,利用声线示踪预测的声时进行全聚焦成像,以提升缺陷成像质量和缺陷检出能力。主要研究内容和结果如下:(1)以金相观察和弹性常数测量为基础,根据CFRP微观结构特征,提出了考虑复杂几何形状、多层结构和弹性各向异性耦合作用的声学建模方法,实现了 CFRP构件弹性特性空间分布的定量描述。利用有限元建模仿真,对比分析了 CFRP多向平板和L形CFRP多向板的声传播规律和噪声来源(平板厚度为5.79 mm,R区厚度为8.64 mm,角度为90°,凹面侧表面曲率半径为8.80mm)。结果表明,倾斜入射超声波受到CFRP多层结构和弹性各向异性的影响更强,铺层界面反射增强,结构噪声明显。波阵面在R区传播时还会随形弯曲,进一步加剧超声波经过铺层界面时的倾斜入射程度。通过使用声学特性接近CFRP材料的声耦合层,可以减弱倾斜入射程度,实现降噪效果。该工作可为后续声线示踪方法的研究提供模型基础和声传播规律指导。(2)传统的基于Snell定律的声线示踪方法,难以反演CFRP构件内部位置确定两点之间的声线路径,且计算效率低。本文以Fermat原理为基础,依据“离散-整合”声线示踪思路,在借鉴计算机科学图论研究中Dijkstra最短路径搜索算法的基础上,提出了考虑CFRP构件复杂几何形状、多层结构和弹性各向异性耦合作用的声线示踪方法。该方法不但解决了 R区声线路径反演计算难的问题,而且计算精度高,运算速度快,能够满足PAUT对于反演大量声线路径的需求。结果表明,声线示踪方法预测的声时与底面反射法实测值一致,计算效率较传统方法提高了约三个量级,证实了所提出声线示踪方法的有效性。(3)为解决CFRP构件现有PAUT技术成像质量差和缺陷检测灵敏度低等问题,本文提出将基于Dijkstra最短路径搜索算法的声线示踪方法与全聚焦技术相结合,即首先利用声线示踪方法计算出声源点与成像点之间的声传播时间,据此利用全聚焦技术对全矩阵捕捉数据进行“延迟与叠加”后处理,重建关于整个成像区域的高分辨率聚焦显示图像。利用该方法对L形CFRP多向板试样进行PAUT实验(R区厚度为8.64 mm,角度为90°,凹面侧表面曲率半径为8.80 mm)。结果表明,与传统TFM相比,所提出的方法成像质量更高,可有效检出位于R区不同深度和周向位置的所有φ1.5mm横通孔缺陷,且定位准确,缺陷检测灵敏度增幅约为3.5 dB。