船舶是一种大型水上移动建筑,可以承担载人、运货、生产、战斗等任务,对于我国这样一个内河纵横、海岸绵延的国家,船舶工业的发展对改善人民生活和保障国家安全都有着极其重要的意义。船舶建造过程中,大量的金属构件通过连接形成结构。熔化焊接由于具有生产效率高、接头性能好、操作方便等特点,已被作为船舶建造中最重要的连接方式。在熔焊过程中,材料经历了局部加热和快速冷却的热循环,不均匀的温度场导致了焊接变形的产生。焊接变形对结构的外观形貌和力学性能都有不利影响,一旦发生过大的焊接变形,需要进行额外的校正,当焊接变形超出矫正范围,焊接结构将面临报废。因此,在船舶建造领域,如何预防和控制焊接变形是一项重要的研究课题。作为基础研究,本文以通用有限元软件ABAQUS为平台,开发了考虑材料非线性和几何非线性的热-弹-塑性有限元方法。利用所开发的计算方法,模拟了Q235钢T型接头的温度场、应力场和变形,并通过试验方法验证了数值计算结果的准确性,讨论了长宽比对残余应力和焊接变形的影响。采用数值模拟和试验手段相结合的方法研究了三种热源模型(增强移动热源、分段瞬间热源、全段瞬间热源)对小型板架结构焊接变形计算精度和计算效率的影响。利用全段瞬间热源计算了大型板架结构的残余应力和焊接变形,比较了残余应力的分布,分析了大型板架结构焊接失稳的特征和原因,研究了热输入、焊接方式、外部约束对焊接面外变形的影响。研究结果表明:(1)对于3.5 mm厚的Q235钢T型接头而言,长宽比对横向残余应力有显著影响,随着长宽比的增加,横向残余应力明显减小,而对纵向残余应力和面外变形影响不大。(2)对于3.5 mm厚的Q235钢小型板架结构而言,纵向残余拉应力主要分布在焊缝附近,而横向残余拉应力主要分布在横向焊缝附近。无论采用增强移动热源还是瞬间热源(包括分段瞬间热源和全段瞬间热源),残余应力分布规律不变,其值略有不同。(3)分别采用三种热源模型来计算小型板架结构的焊接变形,模拟结果和实测结果的分布规律一致,增强移动热源模拟结果与实测结果吻合最好。分段瞬间热源比增强移动热源计算效率高,全段瞬间热源比分段瞬间热源计算效率高。(4)Q235钢薄板大型板架结构的扭转失稳开始于横向腹板焊接时,结构失稳的原因是压缩残余应力超过了失稳极限。热输入对薄板大型板架结构的焊接面外变形有很大的影响。当热输入过大时,结构整体将发生扭转失稳变形,适当降低热输入可以有效防止结构扭转失稳的发生,还可以明显减小面外变形,在只有翼板发生局部波浪式失稳变形时,继续降低热输入对焊接面外变形的减小作用不大。焊接方式对薄板大型板架结构的焊接面外变形有明显的影响,且双边焊引起的面外变形总比单边焊大。外部约束可以明显减小薄板大型板架结构的焊接面外变形。对于要发生扭转失稳变形的结构而言,当外部约束较少时(只约束1个点的Z向位移),约束释放后结构失稳,且失稳模态不变;当外部约束较多时(约束翼板4个边缘的Z向位移),约束释放后面外变形明显减小,但结构失稳,且失稳模态发生了改变。上述研究成果可以为预测大型结构焊接变形提供参考,也能为防止失稳变形和减小焊接变形提供理论依据。