近年来,核电、航空航天等领域高速发展,功能部件形状日益复杂,对无损检测技术的要求不断提高。超声相控阵技术在复杂曲面构件检测方面有很大优势,通过时间延迟法则能够灵活控制声束偏转与聚焦,具有检测范围广、精度高、扫描速度快等优点。然而,传统的刚性超声相控阵探头无法直接与试件表面相匹配,需通过水耦合或楔块耦合方式进行声波传播。由于耦合剂与试件声阻抗存在差异,声场能量在耦合剂与试件界面间传输时有损失,进而影响探头灵敏度,导致缺陷定位不准确。为了进一步提高超声相控阵技术的缺陷表征性能,避免耦合剂的影响,发展了柔性超声相控阵技术。柔性超声相控阵探头能完美贴合不规则工件表面,但由于弯曲界面的影响,超声波在材料中的传播规律复杂,而且缺乏准确的时间延迟法则,难以估计声波在试件内传播特性和声场能量,这可能导致接收不到缺陷回波,从而降低缺陷检测及表征性能。为攻克复杂曲面构件缺陷检测难题,打破现有柔性相控阵技术应用的局限性,本文推导了复杂曲面构件的柔性相控阵时间延迟法则,并以此为基础建立柔性超声相控阵检测声场分布解析模型、偏转聚焦声波传播及缺陷散射数值仿真模型。基于理论与仿真,开展柔性相控阵探头的实际应用研究。首先,建立了单层凹面、凸面、凹/凸面的一维柔性阵列及单层凹面、凸面工件检测的二维柔性阵列时间延迟法则。进一步根据斯涅尔定律与费马原理,建立双层凹面、凸面工件的声线传播几何模型,推导了精确的时间延迟法则。其次,基于惠更斯原理,推导单阵元归一化声压幅值表达式,结合各阵元时延规律,得到了整个柔性阵列检测单层与双层复杂曲面构件的声场分布模型。为验证解析模型的正确性,模拟了凹面、凸面、凹/凸面试件有、无时间延迟的声场分布情况。并提取声场分布图轴向声压曲线来定性分析曲面半径、偏转角及聚焦长度对声束聚焦特性的影响规律。为优化设计柔性阵列探头及检测方案,探究了阵列孔径、阵元中心距、阵元宽度、探头频率及偏转角对声束特性的影响规律。再次,在时间延迟聚焦法则的基础上,建立了复杂曲面试件内声波传播及缺陷检测的声场时域仿真模型,合成声波能按照预设方向传播并在指定位置聚焦。利用时间延迟法则使各阵元回波信号相位一致,再对其叠加,可获得声压幅值大大增强的回波信号,用于缺陷的定位、定量分析。且利用缺陷检测仿真数据揭示了阵列孔径、聚焦长度及声束偏转角对检测结果的影响规律。最后,搭建了柔性相控阵检测平台,并对凹面、凸面、凹/凸面工件内多个孔缺陷进行检测,缺陷检测B扫描视图与缺陷实际位置一致。且通过缺陷检测试验A扫描信号与有限元回波数据的一致性,验证了有限元缺陷检测仿真模型的正确性和可行性。而且开展了涡轮叶片不同类型、不同尺寸的缺陷检测试验,结果表明利用所推导的时间延迟法则及检测声场模型,柔性相控阵探头能对复杂曲面试件内的微小缺陷进行精确评估与表征。