精密程度高、可靠性好的机械构件是保证机械设备正常运转的前提。对于经焊接、铸造、滚压、切削、弯曲等机械加工后的构件来说,经常会存在残余应力,而大多数残余应力是有害的,它会严重地影响机械构件结构强度和使用性能。所以,国内外学者一直致力于研究一种更准确、方便、快捷、无损的构件残余应力的检测方法。本文分析了机械系统固有频率等振动特性与残余应力的关系,探究了振动特性的差异对三维联合时频谱的影响,提出了基于构件振动信号三维联合时频谱的能量-时频分布特征值,将其作为残余应力判别指标应用于构件残余应力的检测。并以焊接钢板为例对上述方法进行了验证,结果表明该方法是有效的。主要内容如下:针对非平稳信号分析的希尔伯特黄变换(HHT)方法存在的不足,介绍了一种信号的自适应频段分解模型-变分模态分解(VMD),该方法与HHT模态分解模型对比,在处理模态混叠问题上其分解结果更令人满意。然后用仿真信号对VMD方法进行了验证。对于VMD程序中的参数设置问题,分析了关键分解参数-模态个数K和惩罚因子?对分解结果准确性的影响,通过对频谱图、中心频率曲线以及分解时间的研究,提出了K和?的选取方法,并经仿真信号证实了此方法的可行性。通过检测构件振动特性参数的状态来反映构件残余应力的状态信息,把检测构件的残余应力状态转化为构件的振动特征参数识别。通过仿真信号的探究,基于构件振动信号的三维联合时频谱能够真实地反映出构件振动特性的差异,为更加准确、有效地区分三维联合时频谱的差异,提出一种基于构件振动信号三维联合时频谱的能量-时频分布特征值法。该方法的实现过程为:首先利用脉冲激励法采集机械构件的振动信号,再采用VMD方法将信号分解成若干个可有效表征构件振动特性的IMF分量;然后分别对各IMF分量进行Hilbert变换并求解出重构信号的三维联合时频谱;最后计算三维联合时频谱的幅值重心、频率重心和时间重心,利用欧式距离求得三维联合时频谱的能量-时频分布特征值,并将其作为检测机械构件残余应力的判别指标。采用盲孔法分别检测了三种不同状态的焊接钢板:未处理钢板、第一次去应力处理钢板和第二次去应力处理钢板的焊接残余应力,并作出残余应力分布图。采用基于构件振动信号三维联合时频谱的能量-时频分布特征值法对不同状态下焊接钢板振动信号进行分析。通过对比研究三维联合时频谱的能量-时频分布特征值的变化情况,对焊接钢板的应力状态进行了准确测定。该方法与盲孔法的检测结果保持一致,证明了所提方法的有效性。为实现无损的残余应力检测提供了一种可行的方法。