焊接是一个涉及到电弧物理、传热、冶金以及力学的复杂过程。焊接现象包括焊接时的电磁、传热过程、金属的熔化与凝固、冷却时的相变以及焊接应力与变形等。随着计算机计算水平的不断提高和数值计算技术的飞速发展,有限元数值模拟成为研究各种焊接现象的重要手段。本文系统地论述了焊接过程的有限元分析理论,并以非线性有限元分析为平台,以X80管线钢焊接接头为研究对象,结合金属物理学、焊接传热学以及力学等学科的基本理论。并采用试验与数值模拟相结合的研究方法对非均质的焊接接头进行了温度场以及应力应变场的模拟模拟,并通过热模拟法、膨胀法以及金相法测定了X80管线钢的SH-CCT图。数值模拟采用的是法国ESI公司开发的有限元分析软件SYSWELD,并使用更加符合实际情况的双椭球热源模型,动态模拟了X80管线钢的整个焊接过程,获得了焊接接头的应力应变场的分布结果以及焊后残余应力的分布规律。并掌握了焊缝、熔合区以及热影响区的焊接热循环曲线,这为进一步制定合理的焊接工艺路线提供了理论基础。研究成果为建立管线钢环焊缝韧性匹配原则提供理论指导,同时为油气管道安全服役提供基础依据。运用测温系统,采用在焊件表面安装热电偶的方式对焊件表面一些点的温度进行了现场测量。结果表明,在所测点温度的数值计算结果与试验结果吻合良好,得到焊接接头的温度变化规律,而且验证了模型的实用性。温度场的数值模拟为进一步研究接头的应力应变场打下坚实基础。还对X80管线钢焊后接头的横向以及纵向残余应力进行了测定,结果表明,数值模拟结果与实际测得结果基本一致,从而验证了焊接应力场数值模拟结果的正确性。本文通过试验研究和模拟计算相结合,建立了科学可行的三维焊接温度场及应力应变场的动态模拟分析方法,为复杂焊接结构进行三维焊接温度场和应力应变场的分析提供了理论基础,促进了有限元分析技术在焊接力学分析以及工程中的广泛应用。