熔化焊作为一种重要的金属连接技术,被广泛地应用于船舶、航空航天和汽车等工业制造领域。焊接过程中,由于热源的快速加热和冷却使焊接接头或焊接结构不可避免地产生焊接变形。焊接变形不仅会降低产品的制造和装配精度,而且会削弱结构的承载能力。同时,一旦产生过大的焊接变形,往往需要对其进行矫正,这样不仅增加生产成本,而且也降低生产效率。经过近五十年的发展,焊接数值模拟技术逐渐成为预测和控制焊接变形的有力手段。尽管热-弹-塑性有限元分析方法能够精确地计算焊接变形,但受制于模型的规模和计算时间,现阶段在实际工程中仍然很难直接采用该方法预测大型结构件的焊接变形。因此,开发高效、高精度的计算方法来预测大型结构件的焊接变形具有非常重要的工程意义。本文以有限元软件ABAQUS为平台,开发了可以同时考虑材料非线性、几何非线性和接触非线性的热-弹-塑性有限元计算方法来获得典型焊接接头的固有变形。同时,本研究在同一软件平台上还开发了基于固有应变理论的弹性有限元计算方法来模拟大型结构的焊接变形。首先,采用实验手段与数值模拟相结合的方法,研究了焊缝长度对Q235钢薄板堆焊接头固有变形的影响规律,基于实验结果与数值模拟结果的比较,验证了热-弹-塑性有限元方法与固有应变方法的可靠性。随后,采用该方法模拟了Q345钢T型接头在自由、结构拘束和外部拘束状态下的焊接变形,重点研究了拘束条件和板厚对T型接头的固有变形的影响,并将数值模拟结果与实验结果进行了比较。基于本文开发的弹性有限元方法,分别采用自由、结构拘束和外部拘束状态下T型接头的固有变形计算了简单加筋板结构和“板-骨”结构的焊接变形,并讨论了不同拘束状态下T型接头的固有变形对结构焊接变形计算精度的影响。最后,采用热-弹-塑性有限元方法和固有应变方法预测了“ITER校正场SCC线圈”在激光焊+TIG盖面焊条件下的焊接变形,并基于数值模拟结果,讨论了外部拘束对ITER校正场SCC线圈焊接变形的影响规律。研究结果表明:1)对于本研究中的薄板堆焊接头而言,当试件的几何尺寸不变时,横向收缩、角变形和纵向弯曲变形随着焊缝长度的增加而增大。2)对于T型接头而言,随着拘束强度的增加角变形和横向收缩都减小,而Tendon Force无明显变化。3)与自由和外部拘束状态相比,采用结构拘束状态下T型接头的固有应变能够更准确地计算简单加筋板结构的焊接变形,而且计算效率与热-弹-塑性方法相比能够提高20 000倍。4)在“板-骨”结构中,当采用外部拘束状态下T型接头的固有应变预测整体结构的焊接变形时获得的面外变形的值最小,而自由状态下的值最大。如果要精确预测板-骨结构的焊接变形,采用结构拘束状态下的固有应变更为合理。5)采用热-弹-塑性方法与固有应变方法相结合的手法预测了ITER校正场SCC线圈整体结构的焊接变形,数值模拟结果表明,采用“激光焊+TIG盖面焊”的焊接工艺条件能够满足SCC线圈的制造精度要求。