随着我国科技水平的提升和重大工程的相继实施,工程机械用大型环件已经大量应用于风电、核电、矿山机械、航空航天等工程领域。受材料原始缺陷、制坯质量、表面状态不稳定、成形孔型复杂、工艺参数波动等因素影响,大型环件表层和内部常产生裂纹、气孔、夹皮和夹杂等各种制造缺陷,严重影响相关机械装备整机的服役性能和服役安全。因此,及时、准确和全面地检测出制造缺陷是生产大型优质环件不可或缺的重要保障环节。本文针对机械工程用大型环件制造过程产生的内部缺陷,开展了以下几个方面研究:(1)针对机械工程用大型环件的检测难点,首先确定了超声检测方法和耦合方式,并提出了多频阵列超声检测的方法;然后建立多元高斯声束模型,通过仿真计算得到不同参数探头在不同水层高度下的水浸超声声场分布;最后分析声场分布规律,确定探头的参数以及探头与环件之间的水层高度。(2)为了提高检测效率和检测精度,对多频探头的阵列个数以及排列方式进行设计,在建模软件中完成了多频阵列探头的简单三维模型设计,并对阵列探头的运动轨迹进行规划。(3)为了实现大型环件内部缺陷的超声自动检测,制备了多个对比试块,对试块上的人工缺陷进行检测,将实验结果与声场仿真结果进行对比,验证了声场仿真模型的正确性以及多频阵列探头设计的合理性。通过对实验结果的影响因素进行分析,绘制了更适合超声自动检测的DAC曲线,在大型环件水浸超声检测平台上对多频阵列探头的检测效果以及DAC曲线的检测精确度进行了验证。(4)为了对不同类型缺陷的超声回波信号特征进行分析,首先建立了水浸超声检测瞬态仿真模型,并验证了仿真模型的正确性;然后建立气孔类型缺陷的仿真模型,分析其超声检测信号的变化规律;最后,对几种人工缺陷的超声检测信号进行频域分析,研究其频域特征的变化规律。本文研究成果将应用于大型环件制造企业以及环件使用企业,以解决重要领域和大型工程中亟待解决的环件产品质量问题,具有显著的学术意义和广阔的应用前景。