与传统的超声波相比,超声导波由于具有传播距离长、检测精度高、响应快、成本较低等优点,在结构健康监测领域受到研究者越来越多的关注。异型截面结构由于形状复杂、截面不规则,导致其导波模态多且频散严重,传播特性更为复杂,难以用解析法直接求出结构中导波传播的频散方程;此外,超声导波的传播对外界环境的变化较为敏感,尤其是载荷和温度变化。因此,异型截面结构的超声导波在复杂的应力和热应力环境下的波结构分析和传播特性分析存在理论和技术上的困难,有必要开展预应力、温度、信噪比等影响因素的声弹性超声导波理论和技术研究。本文采用半解析有限元方法,致力于完善、改进以及拓展异型截面结构超声导波监测中出现的一些基础、关键和难点问题,研究内容主要包括以下方面:超声导波监测最基础的问题是掌握结构中的导波传播信息。为了对不同波导结构中超声导波的传播特性进行研究,本文采用半解析有限元方法。对自由波导结构的横截面进行有限元离散,假定沿传播方向的波为简谐振动,根据哈密顿原理推导出自由波导结构的波动方程。通过求解波动方程,可求得不同波导结构的波速、波结构,并绘制频散曲线,分析导波的频散关系。为了验证半解析有限元方法正确性,求解了简单结构中的导波传播问题,与解析结果对比。随后,分析了异型截面结构的多模态特性、频散特性和波结构特征,并采用商业有限元软件ABAQUS以及实验的方法进一步验证了半解析有限元求解导波传播问题的准确性。掌握受应力的异型截面结构中的导波传播特性变化是超声导波监测中的关键问题。由于应力的影响导致导波传播特性发生变化是一种非线性行为,在计算过程中需要考虑高阶常数的因素。本文基于高阶应力声弹性导波传播理论,建立应力声弹性波动方程,提出应力声弹性-半解析有限元方法。通过板中数值解与解析解对比,结果证明AE-SAFE方法的正确性与有效性。随后,基于此方法,研究了轴向应力下桁条和铁轨中超声导波的频散行为,分析了轴向应力对结构中导波传播特性的影响,计算了应力灵敏度。最后,基于应力声弹性-半解析有限元计算结果,选取适合应力监测的模态和频率,提出异型截面结构的应力监测策略并通过实验验证了该方法的可行性。超声导波对温度的变化较为敏感,环境的变化会影响导波监测的准确性,因此获取不同温度环境下的导波传播信息十分重要。本文建立了温度效应的声弹波动方程,采用包括三阶弹性常数的有效温度声弹性常数,并结合半解析有限元方法,提出一种温度声弹性-半解析有限元法,研究温度影响下的声弹性超声导波传播问题。通过此方法,计算了铝板中受均匀温度影响下的导波传播,并与解析解进行比较,验证了方法的正确性。进而分析桁条和铁轨受温度影响下的超声导波传播问题,揭示不同温度影响下桁条和铁轨的波速、波速变化。对于异型截面结构来说,其超声导波监测的一大难点是提高信噪比的问题。由于异型截面结构的复杂性,其多模态和频散特性更为突出,需要对激励和接收传感器阵列进行充分研究。本文利用半解析有限元方法求解超声导波的激励和接收问题,将表面激励载荷等价为非齐次边界条件,带入到波动方程中转化为非齐次项;采用模态展开的方法研究含有非齐次项的超声导波传播问题的解,得到非自由振动下超声导波特解;提出激励和接收模型,计算板类结构和异型截面结构中不同的激励和接收模型下导波信号的差异,采用商业有限元软件ABAQUS计算对结果进行验证。最后,基于异型截面结构下的阵型分析和激励/接收数学模型,提出了一种实用且经济的激励/接收传感器阵列设计方法。