残余应力不仅是影响高性能零件疲劳、断裂和变形等不可忽视的因素,亦是表征其制造质量和服役状态的关键参量。获得残余应力分布状态对关键零件成形、加工、焊接和装配等制造工艺的制定与优化具有重要价值和工程意义。在现有残余应力无损检测手段中,超声法因其材料适用性广、操作简单、效率高等优势,具备在制造现场环境中快速检测残余应力的可行性。然而,面向金属薄壁零件残余应力的超声定量检测需求,仍面临着板材正交各向异性和平面残余应力分量对声速耦合影响的困难,亟待解决虑及残余应力和平面内正交各向异性的超声波动建模、平面应力分量解耦测量等基本问题,进一步开展虑及正交各向异性的超声应力测量研究。针对具有平面内正交各向异性材料的声弹性效应分析问题,结合应变能理论和张量函数理论,构造虑及残余应力的应变能多项式,建立多项式系数与材料二阶拉梅常数和三阶Murnaghan常数的关联关系;构造虑及正交各向异性张量的应变能多项式,提出平面内正交各向异性因子（In-plane Orthotropic Factors,IOFs）,建立应变能多项式系数与二阶拉梅常数和IOFs的关联关系;采用残余应力关联项和IOFs关联项修正Murnaghan应变能密度函数,形成虑及残余应力与平面内正交各向异性的弹性本构模型,定量阐明残余应力和平面内正交各向异性对金属材料弹性性质的影响特点,为声弹性效应分析时分离正交各向异性影响、建立声速-应力关联模型提供材料弹性机理支撑。为模拟分析残余应力对超声传播过程和超声声速的影响,基于时域积分格式的超声传播过程模拟策略,在时间单元中引入中间结点并对加速度进行二次插值,建立加速度随时间的非线性增减关系,构造关联位移、速度和加速度的时域形函数,提出基于时域加速度二次插值的积分格式,精确模拟出横波、纵波和临界折射纵波(在残余应力场中的超声传播过程,解决以Newmark法为代表的积分格式导致的位移波形周期延长、结点波形计算误差大的问题。超声测量薄壁件残余应力时,为解耦平面应力分量、分离正交各向异性影响,基于所提出的弹性本构模型,获得关联平面内正交各向异性因子和残余应力的波动特征方程,分别建立LCR波声速-平面残余应力的关联模型、横波与纵波声速-平面残余应力的关联模型,提出基于频域变分原理的声时计算方法,结合超声传播距离,实现超声声速的精确计算。最后,实验验证所建立声速-平面残余应力关联模型的准确性。为有效保证超声应力测量的可靠性和准确性,针对LCR波应力测量,提出一种直接填充耦合的策略,优化单发-双收探头结构,有效抑制接收信号的波形畸变与衰减;针对横纵波应力测量,创新研制永磁阵列增强的横纵波电磁超声探头,实现横波与纵波的一体收发,并提升接收信号信噪比。最后,以5052铝合金板材为例,利用所提出的超声声速-平面残余应力关联模型和研制的超声探头,完成单向拉伸预应力、板材折弯残余应力和搅拌摩擦焊残余应力的超声测量,与小孔电子散斑干涉法相比,测量偏差小于20 MPa。