激光焊接以其焊接变形小,能量集中和热影响区域小等优点在船舶建造过程中得到了越来越广泛的应用。目前对焊接过程的数值计算主要分两类:一类是以计算流体力学(CFD,Computational Fluid Dynamics)为基础计算焊接熔池的流动行为;另一类是以有热-弹-塑性有限元法(FEM,Finite Element Method)为基础计算焊接的应力变形。然而在激光焊接过程中,熔池内流动剧烈且极易形成焊接“小孔”,影响接头的温度和应力分布以及焊缝的形状,从而降低焊接接头的力学性能。因此,为了能够综合考虑熔池及“小孔”效应对焊缝成形及应力变形的影响,本文开发了能够综合考虑熔池流动行为及进行应力变形的焊接热流固耦合数值模拟方法,为提高焊接力学行为的计算精度提供支持。同时,将热流固耦合数值模型与机器学习算法相结合,建立了能够实时计算焊缝背面形貌的预测模型,提高了原有预测模型的精度,扩大了计算机辅助工程在实际生产制造中的应用。具体的研究内容如下:(1)首先基于CFD和FEM开发了焊接热流固耦合数值模拟方法,建立了耦合计算流程,实现了考虑熔池流动行为的焊接热流固耦合数值分析。对比分析了考虑流动和不考虑流动情况下,激光焊接应力变形的差异,并与实验结果对比验证了焊接热流固耦合数值模拟方法的正确性。然后针对异种金属激光焊接的特点,应用开发的热流固耦合方法中的焊接热流多场耦合,综合考虑了金属蒸汽的反冲压力、表面张力、传热、流动、浮升力等因素的耦合情况,实现了Niobium和Ti-6Al-4V对接激光焊熔池的温度场、流场、小孔演变及焊缝成形的计算及分析。结果表明,由于材料的热物理性质的差异导致焊接“小孔”主要发生在Ti-6Al-4V一侧。脉冲频率对焊缝成形有较大影响,为了达到均匀熔透的焊缝,存在最佳的脉冲频率。异种金属成分的混合主要发生在熔池上部,焊缝形貌及成分分布与实验吻合,验证了计算的正确性。(2)由于一般的焊接热流计算模型,需要分别对焊件及焊件上方的气体进行建模分别设定固体域和气体域,而对于焊后焊缝变形较大的情况下,很难动态获得焊接热流计算过程中的固体域,这就给后续应力变形计算带来了困难。为了克服这一问题,本文在开发的焊接热流固耦合数值模拟方法中,进一步引入了动网格技术,解决了在焊缝表面有较大变形情况下的焊接热流固耦合应力变形分析的问题。实现了综合考虑熔池流动、传热、小孔等因素,并在焊缝表面变形较大情况下的应力变形计算。研究了驼峰状焊缝对焊接应力及角变形的影响,结果表明在焊缝表面驼峰处,其应力出现激增现象,但其对于焊件角变形的影响较小。同时分析了在焊接线能量不变不同焊接速度下,驼峰对于焊接应力变形的影响规律。(3)为了满足工业生产中实时快速预测焊缝形状的需要,开发了基于机器学习的焊缝熔透实时预测模型。受实验设备的制约,能测得的熔池信息有限,本文将开发的焊接热流固耦合数值模拟方法应用到机器学习算法预测模型的建立中,用数值计算的特征量和实测数据一起,建立了焊缝背面熔宽的实时预测模型。结果表明,通过增加由数值计算模型得到的特征量,原有的预测模型精度得到提高。同时还比较分析了不同的机器学习算法建立的预测模型,并应用网格搜索算法在各个超参数的一定范围内,对各个算法建立的预测模型进行了优化,分析了各算法在焊接样本集上的表现,结果表明支持向量回归算法在文中的焊接数据下预测精度最高,并在测试集上验证了其泛化能力。