自升式钻井平台技术成熟、建造成本可控、且在离岸近海水域应用广泛,常被用于海洋油气的勘探和开采。作为典型的移动式近海钻井装置,自升式钻井平台主要由抬升结构、桩腿及悬臂梁结构等构成;这些关键部件,主要承受设备运转及环境工况产生的各类力学载荷;且结构复杂,均由厚板高强度海洋平台用钢焊接而成,建造难度大。具体地,焊接过程的多道热循环,会伴随复杂的内应力演化及建造尺寸误差的产生;且在结构完全冷却后,得到残余应力和焊接变形。焊接残余应力会严重影响自升式钻井平台的疲劳断裂性能及其运营寿命;焊接变形及其引起的建造误差,则对自升式钻井平台的整体生产周期、总体成本产生显著的影响。因此,需对上述关键部件残余应力和焊接变形的产生机理、分布趋势及数值,进行预测和分析,且在实际建造中,严格控制残余应力及焊接变形的数值,使之满足工程许可。JU2000E作为美国著名设计公司F＆G设计的主流自升式钻井平台,其关键部件大量采用了EQ56高强钢厚板建造。本文首先对平台最常见的EQ56高强钢厚板的多层多道焊对接接头展开研究。采用活性气体保护焊（MAG）焊接制备45mm EQ56厚板对接接头。焊后,利用小孔法（HD）、X射线衍射法（XRD）对接头残余应力进行测量;应用热-弹-塑性有限元法研究了焊接接头的残余应力分布,分析了焊道合并技术以及带状热源长度对有限元计算结果的影响。同时,对焊接接头进行超声冲击（UIT）消除残余应力测试。研究结果表明:计算结果与测试结果吻合较好,验证了所提出的数值模拟方法的有效性及准确性;焊道合并技术显著提高计算效率且对焊接残余应力分布基本无影响;带状热源长度等于或小于125mm时,既保证焊接残余应力计算精度又节省计算时间;超声冲击使得接头表面拉应力转变为压应力,明显改变接头内部焊接残余应力分布。为了解决复杂焊接结构热-弹-塑性有限元计算中,对计算资源的大量消耗;基于上述的焊道合并技术和带状热源法,提出了求解域分割-合并的应力计算法,分析了平台关键结构抬升结构轴承座焊接残余应力分布。模拟结果表明:拉应力主要分布在肋板-前板、月牙板-轴承座以及肋板-月牙板之间的焊缝区域,最大拉应力出现在焊趾处,其值超过600MPa,与测试结果较为一致。采用了对称结构简化法研究平台关键结构桩腿结构K型节点焊接残余应力分布。研究发现:拉应力主要分布在半圆板-支撑管和半圆板-齿条板组成的焊缝处,最大拉应力同样存在于焊趾处,其值达到600MPa以上,模拟结果与焊接残余应力测试结果吻合较好。提出采用超声冲击处理控制轴承座及K型节点焊接残余应力分布,并研究超声冲击工艺对焊接残余应力的影响。试验结果表明:超声冲击控制焊接残余应力效果显著,明显降低焊缝区残余拉应力甚至转变为压应力;当冲击强度为10s/cm~2时,轴承座接头焊接残余拉应力完全转变为压应力并且在各区域分布比较均匀,可作为轴承座超声冲击的最优参数;当冲击强度为15s/cm~2时,K型节点残余拉应力完全转变为压应力并且在各区域分布比较均匀,可作为桩腿K型节点超声冲击的最优参数。针对大型焊接结构的焊接变形预测和控制难题,通过基于固有变形的弹性有限元法模拟平台关键结构悬臂梁下滑道结构的焊接变形,首先对斜角焊缝接头的固有变形大小及分布进行系统性的研究,其次通过弹性有限元计算900mm长度下滑道模拟件的焊接变形,并研究了控制变形构件（三角形肘板）数量及位置对下滑道模拟件结构焊接变形和重量的影响,结果表明:斜角焊缝接头的固有变形计算结果与热-弹-塑性变形计算结果一致,下滑道模拟件结构的弹性有限元计算结果与实际测试结果吻合较好,控制变形构件的数量和位置对结构的焊接变形影响较大;进一步扩展到4500mm长度下滑道结构,当采用12块控制变形构件各自间距600mm对称分布时,4500mm的悬臂梁下滑道面板焊接拱度变形满足设计要求,同时降低了结构重量,对自升式平台轻量化制造具有指导意义。