结冰改变飞机气动外形，影响机翼、进气道、压气机叶片等功能部件的性能，增加飞行不安全因素，严重时导致机毁人亡，结冰的在线监测、预防和去除方法成为航空领域最重要的研究任务之一。近年来，多种结冰探测方法被提出并获得长足进步，其中，源自超声导波无损检测技术的导波法，以长距离传输的低衰减特征成为飞机结冰探测的新选择，但现有研究发现，利用水平剪切波进行探测的导波法对传感器的要求较高，且对于复杂的机翼蒙皮结构，波传播状态难以保持稳定。防除冰方法主要包括机械法、热力法和化学法，由于热力法的高能耗、化学法存在污染和腐蚀问题，机械法成为研究的主要方向。　　本课题针对上述问题，基于压电材料的正、逆压电效应，综合考虑压电材料在传感和激振两方面的性能、功率密度大且易于与系统集成的特点，通过激发结构中的Lamb波进行结冰探测、激发结构振动进行除冰，研究Lamb波在结冰平板结构上的行为、探测用压电传感器的设计和数据分析方法，研究结构振动对冰层附着界面的作用机制和除冰用压电驱动器的设计方法，为建立基于压电材料的结冰探测和除冰系统奠定基础。主要研究内容如下：　　使用全局矩阵法和半解析有限元法，研究Lamb波在单层自由板和多层介质中的传播，定量分析结冰对Lamb波传播特性的影响，比较了三种不同类型结冰导致的模态群速度变化。使用有限元法为板上的小范围结冰建立模型，研究不同结冰厚度、结冰长度对Lamb波模态信号的影响，以及模态转换现象，获得结冰探测模态和工作频率的选择依据。　　分析了水对Lamb波的影响，提出减小水对结冰探测结果的干扰的方法。研究发现，选择较低频率的Lamb波探测结冰能够获得较好的综合效果，其中基阶对称模态（S0模态）受到水的影响比基阶反对称模态（A0模态）小。　　研究压电片与铝板间的力传递关系，分析一般形式的力载荷对导波的激励，发现在低频下压电圆片只能在铝板中激发出A0和S0两种Lamb波模态，压电片直径与其激励出的A0和S0模态强度关系密切，通过调节直径大小可以最大程度的激发出S0模态，同时削弱A0模态。建立了压电片在不同径厚比下的模态谐振频率谱求解方法，以导波激励效果为目标，根据已设定的工作频率值、对应的径厚比和直径大小，确定出压电片厚度。实验显示，经过设计的压电片其谐振频率与探测频率相差仅6.7％，而产生的S0模态的幅值是A0模态的1.19倍，相比设计之前的0.81倍显著提高，改善了导波的激励效果。　　建立冰层的二维受力模型，分析接触面上的切应力分布，发现最大切应力出现在结冰的边缘位置，大小与结构表面的应变有关，在振型节线附近的切应力最小。提出等功耗激励原则，使用有限元方法分析压电片长度和厚度对所激发模态振动强度的影响，发现在理想情况下当压电片长度约为某模态振型半波长的奇数倍，且厚度较薄时，对该模态的激振更强。　　搭建超声导波结冰探测系统与压电振动除冰系统试验台。在LabVIEW平台上开发一套结冰监测系统控制软件。通过实验，分别对导波结冰探测技术、振动除冰技术理论研究的相关结论进行验证。针对蒙皮结构上的复杂导波波形，引入结构健康监测概念，使用信号处理技术识别复杂的结冰信号，通过定位成像算法将探测结果显示出来。在此基础上提出一种波形截断方法优化探测结果，在保证结冰探测准确性的同时将水的干扰减小了90%。最后，鉴于两种技术在诸多方面的相似性，提出了几种基于压电材料的结冰探测与除冰一体化设计的构想。　　本文对Lamb波的结冰探测能力、其避免液体干扰的能力、探测压电传感器设计等问题，以及对振动除冰的原理、振动模态选择、除冰压电传感器设计和布置等问题的研究成果，具有一定的理论和工程应用价值，可用于指导相关结冰探测和除冰系统的设计与分析。