超声相控阵检测技术通过电子方法控制换能器阵列晶片的激发延时,使各阵元发射的声束在设定深度处产生相长干涉、形成聚焦声场,具有检测效率快、分辨力和灵敏度高、缺陷检出率高、灵活性好等优点,适用于复杂形状工件的检测。此外,相控阵检测技术以其特有的变深度聚焦和角度偏转功能,能有效地避免常规单晶聚焦探头因焦点固定、角度受限而引起的缺陷漏检、误检,提高了检测效率和缺陷检出率。然而,实际应用中超声相控阵检测的声场分布受阵元布置及聚焦算法的影响,所形成的叠加声场比常规单晶聚焦探头更为复杂,影响因素更为多样。通过有限元方法建立检测声场的数值模型进行仿真试验,不仅能减少试验成本及时间,同时有利于对声场的直观理解,对于实际检测时的可检性预测、检测参数优化和检测结果分析具有重要的应用价值。本研究以航空涡轮盘用高温合金铸件为检测对象,建立并优化了超声相控阵检测声场的有限元模型,据此分析超声相控阵聚焦声场的分布特点及影响因素,提出检测参数的设计和优化方法;基于声场仿真分析实现超声相控阵聚焦声场的控制,提高相控阵对高温合金构件的检测能力。主要研究内容包括:第一,本文采用有限单元法对GH901高温合金试件中的超声相控阵检测声场进行了仿真模拟。结合有限元建模的材料属性及换能器参数设置,建立了直接接触法和楔块耦合法检测的有限元仿真模型。通过测量聚焦误差、焦点声压幅值分析了有限元模型参数中网格尺寸、载荷子步时间、模拟载荷采样率对有限元仿真计算精度及准确率的影响,并且据此对有限元模型进行了优化。第二,基于优化后的有限元模型开展超声相控阵聚焦声场特性研究。以有限元仿真技术为手段,通过测量聚焦情况、焦点尺寸、焦区声压分布和绘制声场幅值分布图等方法,分析换能器频率、阵元中心距、宽度、数量、聚焦深度、加装楔块情况对声场分布、焦区尺寸、近表面及远表面检测能力的影响。应用有限元仿真结果指导实际检测,给出适用于工程应用、行之有效的检测参数设计法则。最后,依据相控阵声场特性分析结果提出了一种自定义声场控制方法。通过聚焦法则控制阵元声束在工件内形成两个连续的聚焦声场,设计了三种声场控制模式分别为:模式一、模式二、模式三。建立三种声场控制模式的有限元模型,分析不同模式下聚焦声场的焦区尺寸及幅度,综合得出最佳的声场控制方法。并将该方法应用于航空涡轮盘用GH901试样的相控阵超声检测中,对比该方法与常规聚焦模式在实际检测时的成像效果,改善了相控阵聚焦扫查的分辨力和成像质量。本研究提出的有限元模型对于直观理解相控阵声场分布、指导检测参数优化与设计、辅助分析检测结果具有实际的应用价值;以有限元仿真为基础设计的自定义声场控制方法可有效改良相控阵检测工艺、提升检测能力,有望在生产实践中广泛推广。