作为一种特种工程设备,厚壁压力容器在航空航天、船舶汽车、建筑桥梁、石油化工及核能发电等工程领域均扮演着重要角色。焊接作为一种综合传热传质、冶金反应及物理力学的复杂材料连接方式,广泛应用于压力容器的制备过程。焊接过程中产生的残余应力严重影响压力容器服役可靠性,易发生应力腐蚀破坏,致使压力容器产生泄漏事故。因此,研究厚壁压力容器的焊接残余应力分布规律并提出合适的残余应力预测方法,对结构安全性评价具有重要意义。本文将固有应变理论运用到厚壁压力容器中心对称J型坡口焊接构件的残余应力预测中,针对固有应变数值分析中存在的难点,即焊接接头固有应变的获得与施加、残余应力的计算等进行了理论分析及有限元计算。在此基础上,考虑到焊接热输入与焊接接头厚度是影响固有应变的主要因素,而焊接速度是影响焊接热输入的主要因素,因而研究了焊接速度及接头厚度对固有应变的影响,并探索了应用数学拟合方法创建固有应变经验数据库的可行性。主要内容如下:首先采用固有应变结合测量得到的弹性应变逆推算获得了厚壁压力容器三维固有应变分布结果,并与热弹塑性有限元法模拟得到的塑性应变结果进行了比较,验证了固有应变逆推算的可靠性。计算结果表明:在厚壁压力容器焊缝区,径向和周向固有应变产生峰值收缩应变,并随着距焊缝距离的增加,应变值逐渐减小到零;轴向固有应变在焊缝区中部产生较大拉伸应变,并随着距焊缝距离的增加而逐渐变为收缩应变,在距离焊缝更远处逐渐趋于零。然后利用固有应变法进行弹性计算,获得了厚壁压力容器三维焊接残余应力分布结果。取厚壁压力容器器壁上表面、传热管管道内壁和外壁表面焊接残余应力的固有应变法计算值、热弹塑性法模拟值和切割法实测值进行对比分析,计算结果和模拟结果均表现出与实测结果相类似的分布规律。其次研究了焊接速度及焊接接头厚度对固有应变的影响,结果表明:焊接速度增加会致使焊接线能量减小,进而使接头产生更小的固有应变;压力容器器壁厚度增加导致结构刚度增大,使焊接变形得到抑制,进而使得固有应变值减小。最后采用数据分析软件对不同结构厚度、焊接速度及测点坐标下的固有应变进行数学拟合,建立相应的数学模型,证明利用数学拟合方法建立固有应变经验数据库的可行性。