电弧增材制造以电弧作为载能束,通过数字化控制系统控制使零件逐层堆积制造,实现金属结构无模成形,具有适应性强,沉积效率高,成本低等优势。然而在成形过程中,随着零件逐层堆积,热积累严重,由此产生非均匀塑性应变和热应变,会导致零件的应力和变形,甚至造成零件失效。本文通过建立电弧增材制造数学模型,研究了电弧增材制造过程中热演化过程以及应力、变形规律,为从本质上理解电弧增材制造和现存问题的解决提供可靠理论依据,同时为复杂结构电弧增材工艺参数优化提供思路。首先,建立了单道多层薄壁墙体结构的有限元模型,并通过实验对温度场进行验证,确定模型热源、材料参数、边界条件符合实际。在此基础上,通过有限元方法对单层多道成形的热行为演化以及应力、变形规律进行分析,得出了热效应的周期性演变规律。热效应的周期性演化对已堆积层的应力具有释放作用,夹具卸载后成形件主要沿堆积方向发生翘曲变形。研究了成形路径对薄壁墙体成形过程的影响,得出了往复式堆积方式相比单向式堆积方式使增材体热分布更均匀,应力分布更具对称性。其次,建立了多层多道加强筋结构有限元模型,以增材过程热分布、残余应力和变形为参考条件,设置了外内式、内外式、交错式三种路径并择优排序,外内式路径较另两种路径更优。基于外内式路径以控制残余应力和变形为目标,确定了合适的层间冷却时间在90s～120s之间。基于内外式路径层间冷却时间120s的参数对不同基板预热温度的研究发现150℃～200℃之间是降低热应力和开裂倾向的合适选择。研究发现,路径决定热源移动方式,不同路径下应力分布和变形都有所不同,层间冷却时间的延长能极大程度地减轻热效应累积,降低应力峰值,但不会改变成形结构的应力分布。此外,基板预热可以降低增材时的温度梯度,从而有效地减轻基板翘曲变形以及堆积层与基板间的残余应力。最后,基于优化方案对多道多层加强筋结构进行增材实验,通过实验与模拟的温度场、应力和变形对比发现二者规律一致,数值相近,证明本研究建立的有限元模型可以准确反应电弧增材过程的热效应演化、残余应力与变形规律。