火炮是现代战争中不可缺少的武器装备,其安全性和可靠性一直备受关注。据统计,身管损伤是导致火炮事故的重要原因,因此实现身管损伤的及时检测并采取一定的措施避免灾难性事故的发生具有重要意义。目前常用的身管损伤检测技术主要局限于表面缺陷且检测效率较低、漏检率高,因此迫切需要研究新的检测方法。超声导波由于检测范围广、效率高、可以探测到结构内部损伤等优点在无损检测领域得到了广泛的关注。这种方法根据声波遇到损伤时发生的反射、散射等现象来检测和评价损伤,原理相对简单,但要应用到身管这类复杂管道结构(膛线、凸台、安装孔等)还有许多问题需要深入研究,包括损伤与超声导波的作用机理、损伤特征提取方法和损伤定位方法。针对上述问题,本文以火炮损伤检测为背景,以管道类结构为对象,对超声导波在管道类结构中的传播特性、信号处理算法、损伤的检测与定位方法、非线性超声导波在微裂纹损伤检测中的应用开展了理论、仿真和试验方面的研究。主要工作包括:1.分析了超声导波在管道中的传播特性及其与损伤的相互作用规律。从Navier波动控制方程出发推导了管道中导波的波动方程,通过数值求解分析了超声导波在管道中的频散特性和波结构特性;利用ANSYS软件建立了超声导波与损伤相互作用的有限元模型,根据仿真获取了损伤对导波信号的影响规律,为超声导波检测试验系统的搭建和试验参数选取提供了理论依据。2.开展了基于超声导波的管道结构裂纹损伤检测试验研究,并研究了超声导波信号处理算法。在理论分析的基础上,搭建了超声导波检测试验系统,开展了管道结构裂纹损伤超声导波检测试验。针对超声导波信号非平稳多分量的特性,选择Hilbert-Huang变换作为信号处理工具,提取了损伤特征参数,实现了管道损伤的轴向定位,并分析了产生定位误差的原因和影响因素。3.研究了基于时间反转的超声导波增强检测方法。针对超声导波频散和多模态效应导致损伤定位误差较大的不足,研究了基于时间反转的导波增强检测方法。从理论上推导了时间反转声场的表达式,证明了其时间-空间聚焦效应;开展了时间反转超声导波检测试验,试验结果表明,时间反转方法可以抑制导波的频散和多模态效应,实现能量的自适应聚焦,提高损伤回波的幅值,增强损伤的轴向定位精度。4.探索了非线性调制超声导波方法在管道结构微裂纹损伤检测中的应用。针对线性超声导波对微裂纹和闭合裂纹不敏感的问题,探索了非线性调制超声导波在管道结构微小闭合裂纹损伤检测中的应用。试验结果表明,相对于线性导波方法,非线性调制超声导波对微小闭合裂纹具有更高的检测灵敏度。