准确地获得大尺寸复合材料结构的受力信息,对于大飞机的装配质量评估和结构健康监测具有极为重要的意义。利用超声波的声弹性关系进行应力测量是最有前途的应力测量技术之一,然而常用作机身材料的碳纤维增强树脂基(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)复合材料具有各向异性的特性,导致其内部超声应力关系更加复杂,因此目前还缺少针对各向异性复合材料的有效解决方案。本文围绕“复合材料结构的应力无损检测技术”这一关键问题,重点开展了“各向异性复合材料弹性波传播规律”、“超声波应力检测影响因素分析及补偿方案”、“复合材料弹性常数及温度系数反演”工作,提出了适用于各向异性复合材料的超声应力检测方法,可用于复合材料平面应力场和梯度应力的测量,并通过实验对方法的准确性和可靠性进行了验证。本文具体研究内容如下:针对各向异性介质的应力测量,提出了基于声弹性原理的超声应力检测方法。依据声弹性理论,推导了受力介质中的各向异性波动方程,得到了各向异性介质中弹性波的传播规律,指出了超声波偏振和传播方向的夹角对声速测量的影响;使用有限元方法对复合材料中临界折射纵波的传播规律进行了渗透深度声场分析,得到了临界折射纵波(Longitudinal Critical Refracted Wave,LCR)的最优入射角度;在前面工作基础上,推导了复合材料平面应力和梯度应力的检测原理。针对本文所提出的超声应力检测方法,通过实验方式进行了准确性验证。设计并搭建了超声应力检测系统,可实现超声波速度和声时差的测量;提出了一种通过纵波速度测定复合材料刚度系数的反演方法;通过十字试样方法进行了平面双向应力的验证实验,结果说明了平面应力检测方法的准确性;通过开孔实验对LCR波渗透深度的理论推导进行了有效验证;通过四点弯曲实验进行了梯度应力检测方法的验证,良好的结果说明了方法的准确性和可靠性。针对本文所提出的超声应力检测方法,分析了环境温度、铺层周期和表面曲率三方面因素对应力测量结果的影响,并给出了相应的补偿方案。通过对复合材料中超声波温度效应的实验分析,明确了环境温度对应力测量的影响规律,并给出了针对性的温度补偿方案;通过有限元仿真和实验表征明确了复合材料的层结构均匀化条件,提出了入射频率的选择策略;使用有限元方法进行了曲率构件表面的超声波传播规律研究,明确了曲率对LCR波幅值和相位的影响,并针对曲率构件的应力检测提出了补偿方案。在上述研究基础上,进行了工程中典型复合材料结构件的应力场检测。开展了典型变截面拉伸板的非均匀应力检测,比较了超声应力法、有限元法和应变片法的检测结果,说明了本文方法的可靠性;进行了复合材料机翼前梁腹板的装配应力检测,绘制了前梁腹板由装配引起的残余应力场,指出了腹板装配应注意的区域;进行了复合材料机翼盒段缩比件的应力场检测,分别得到了由加工和装配引起的残余应力场,结果指出了加工和装配过程中残余应力集中的区域,为盒段的装配质量评估提供了数据支撑。