板壳类金属结构是各类装备中常见的结构形式,对该类结构进行健康监测是实现装备结构完整性监测的重要内容。疲劳裂纹是板壳类金属结构的主要损伤形式之一。实现疲劳裂纹的早期检测与评估是避免结构发生破损与断裂等灾难性事故的重要前提。板壳状金属结构中的疲劳裂纹具有形式多样、位置分布广泛等特点,且在外部使用载荷或内部残余应力作用下,裂纹的两个表面可能出现闭合与张开交替变化的运动形态,给常规无损检测方法带来了较大困难。基于非线性超声的无损检测方法,因其实施方便且对微裂纹灵敏度高等特点,近来成为研究的热点。该类方法利用损伤散射声场中蕴含的非线性特征对损伤进行探测、量化、定位甚至成像;可深入到微观层面评估材料的性能退化,对微小损伤和闭合裂纹的检测灵敏度高,尤其适用于结构的早期诊断;检测过程对参考信号依赖性不强,极具在线应用潜力。作为一种新兴的非线性超声无损检测方法,振动-声场调制技术因实施方便、对微裂纹灵敏度高且对测量系统本身的非线性不敏感等优点而更具工程应用前景。但是,目前对振动-声场调制现象产生机理的认识还不够充分,使用该方法进行结构健康在线监测还处于初步探索阶段。因此,论文在国家自然科学基金的资助下,针对振动-声场调制的机理、在线应用等相关关键技术开展研究,具体如下:1、研究了一维条件下固体中的经典和非经典非线性超声波动理论。以非线性本构关系为基础,使用微扰近似方法推导了单频声场的非线性响应及非线性系数,并给出了混频声场调制的经典非线性理论解释。对粗糙接触界面对声场散射的机理进行了分析,研究了接触界面的本构关系,并以此为基础研究了接触界面对单频声场的非线性散射响应及界面非线性的表征方法。建立了自由和受载两种状态下接触界面导致的振动-声场调制现象的理论模型,并分析了单频散射和振动-声场调制的对立与统一性,加深了对接触界面非线性本质的认识和理解。推导出的振动-声场调制数学模型表明,外部载荷变化时,非线性系数将不再与损伤尺寸成正比。因此在应用该非线性系数跟踪材料损伤的扩展时,外部载荷的变化将会导致跟踪结果无法解释。另外,单频散射与振动-声场调制效应是对立统一的,且统一性占主导地位。2、研究了在考虑塑形致闭效应后,裂纹宏观形态的变化导致非线性特性的变化机理。并从疲劳裂纹的扩展机理出发定性分析了在塑形致闭效应和外部载荷的共同影响下裂纹形貌改变的原因。在此基础上,通过分析由不同研究方法获得的塑形致闭闭合应力分布结果,结合本研究的实际需求提出了线性分布模型,并结合Newman裂纹分析模型找出了闭合接触面积与外载荷的对应关系,最后在此对应关系的基础上发现了闭合面积对外载荷的变化率与当前实际裂纹尺寸的正比关系。根据该正比关系,提出了一种无载荷效应的损伤指数,该指数具备在整个负载变程内跟踪裂纹实际长度的能力,可应用于受载构件的损伤在线检测。3、对振动-声场调制技术在板状金属结构疲劳裂纹早期检测和评估中的应用开展了试验研究。首先研究了测量材料非线性的实用方法,研制了基于表面粘贴式压电片的振动-声场调制测量系统,研究了部分实验参数对实验结果的影响,并在受载铝板上进行了疲劳裂纹扩展的在线跟踪实验。根据测量数据,对比研究了传统损伤指数与提出的无载荷效应损伤指数对损伤扩展的跟踪能力,并对部分理论结论做了实验验证。实验结果表明,无载荷效应的损伤指数对微裂纹更为敏感,在裂纹的早期预警及总体跟踪性能方面均优于传统损伤指数。