固体板结构在能源、运输、航空航天等行业的关键结构中获得广泛应用,板结构的可靠性和完整性越来越受到人们的重视。由于制造工艺不当,或者在外部载荷作用、疲劳效应、结构老化等不利因素的影响下,固体板内会逐渐产生许多微裂纹,这将影响到结构正常功能的发挥,甚至引起严重的事故。因此,对固体板结构的损伤状态进行有效、快速地检测和评价十分必要。非线性超声Lamb波具有传播速度快、传播距离远、对材料内部微结构变化敏感等特点,基于Lamb波的非线性超声无损检测方法的研究也因此受到了越来越多的关注,研究非线性Lamb波在固体板中的传播以及Lamb波与板中损伤相互作用的规律具有重要的意义。本文开展了金属板中微裂纹损伤的非线性超声损伤评价研究。首先通过求解Lamb波的频散方程,给出了单层铝板中Lamb波的相速度和群速度频散曲线。然后通过二阶微扰近似和导波模态展开法求解得到了二次谐波的解析解,推导了产生累积二次谐波的必要条件。在此基础上,模拟了 Lamb波在铝板中的传播过程,研究了相速度和群速度匹配对Lamb波累积二次谐波产生的影响,以及板中微裂纹对非线性Lamb波传播的影响。同时,还比较了在激发S1-s2模态对和S2-s4模态对两种情况下,不同深度的裂纹对非线性系数的影响以及Lamb波通过裂纹位置后非线性系数随传播距离的变化情况。最后,本文还进一步通过实验研究了非线性Lamb波的声学非线性系数与微裂纹深度之间的关系。本文的研究结果表明:(1)固体板中非线性Lamb波产生累积二次谐波的两个必要条件为:有非零功率通量从基频流入到二次谐波、基频与二次谐波的相速度匹配。当相速度匹配时,二次谐波幅值随传播距离线性累积增长;当相速度不匹配时,二次谐波幅值随传播距离以正弦形式变化并存在最大值。对于近似完全相速度匹配的情况,二次谐波幅值在有效距离内近似满足线性累积增长规律。(2)对于完好的单层板铝板,S1-s2模态对和S2-s4模态对只需要满足有非零功率通量从基频流入倍频以及相速度匹配这两个条件时,二次谐波幅值随传播距离呈现线性累积增长的特性,而群速度匹配不是线性累积增长的必要条件。对于存在微裂纹的铝板,非线性Lamb波S1-s2模态对和S2-s4模态对的声学非线性系数均随着裂纹深度的增加而增大。但在裂纹深度相同的情况下,S1-s2模态对的声学非线性系数对裂纹深度的变化更敏感,因此利用S1-s2模态对铝板中的裂纹损伤检测将更加有效。(3)在实验方面,可以通过利用斜楔换能器,以一定的入射角度和激发频率选择性激发出S1模态的Lamb波。在满足相速度匹配和非零功率通量从基频流入倍频的条件下,S1-s2模态对的声学非线性系数随传播距离线性累积增长。通过对存在不同深度裂纹铝板的非线性超声实验研究表明,当裂纹深度小于一定的范围时,裂纹产生的局部非线性与铝板自身的累积非线性相互叠加,使裂纹区域局部非线性系数增大。在非线性Lamb波的传播距离相同时,S1-s2模态的非线性系数随着裂纹深度的增加而增大。因此,可以利用非线性Lamb波中的S1-s2模态对金属板中裂纹深度扩展、演化过程等进行有效地评价。