工程结构的安全性能预测包含对含缺陷结构的完整性评定以及剩余疲劳寿命的预测,是一项多学科交叉的综合技术,它涉及到断裂力学、连续介质力学、损伤力学以及材料力学等多个领域。焊接加工作为最广泛采用的制造方法,具有多种优越性,但由于焊接热过程的局部、快速等特点,造成焊接结构三个方面的明显不足:焊接缺陷、组织性能恶化及高残余应力场,这直接导致结构服役性能的大幅度降低,并使其可靠性评估极为复杂。　　针对上述情况,本文通过研究焊接结构完整性评定以及剩余寿命预测过程涉及的基础理论,结合虚拟现实技术开发了一套可视化的焊接结构可靠性预测系统。本系统可实现对焊接缺陷的规则化、焊接结构的一次应力、二次应力的计算,还可实现基于不同的评定标准含缺陷焊接结构的完整性评定以及基于S-N曲线的疲劳寿命预测等。本系统首次将有限元分析与解析评定过程相结合,真正意义上实现了虚拟现实技术在焊接技术上的全面应用。本系统中完整性评定程序涵盖了GB19264、CEGB R/H/R6、BS7910、SINTAP/FITNET以及 IIW doc. XIII-1965-03/XV-1127-03,可应用于压力容器、轨道交通等行业的多种复杂焊接结构中。　　系统主要包含基本参数数据采集模块、焊接接头质量评估模块、焊接结构的应力分析模块、焊接结构的完整性评定模块,焊接结构剩余寿命计算模块,结果输出模块,本文详细阐明了主要模块的构建方案与功能。系统具有基本参数的约束条件判断、自动化有限元分析、有限元结果智能筛选、评估过程与结果的实时性分析与回馈、系统与有限元软件之间无缝集成等特点。　　基于 MSC接口平台,采用python脚本语言构建的基于焊接特征的FEA模块在可视化界面中实现了与MSC环境下等同性,操作便捷。本文将此模块应用于高速列车地板大型复杂铝合金挤压中空型材结构的拼焊过程的变性分析。同时为提高计算精度,试验测试了随温度变化的材料动态力学性能参数及热物理参数,并采用移动双椭球体热源模型模拟 MIG焊接热源。对多个高速列车地板结构的焊后挠曲变形进行了现场测试,结果证明,模拟计算结果与测试数据具有很高的吻合度。　　针对现行工艺进行了焊接顺序优化尝试,提出由外侧向中心对称焊接地板结构上的6条纵焊缝的方案,数值模拟结果证明,焊后挠曲变形规律与现行工艺一致,但是变形量仅为现行工艺条件下的78.6％,对于类似地板结构的大型复杂薄壁构件,可以利用结构自身重力造成的三点弯曲作用,制定合理的工艺措施来控制焊接角变形,矫正其平面度偏差。　　利用构建的系统完成了对CRH2型高速列车框架式底架结构的完整性评定,评定规范采用SINTAP/FITNET。借助基于热-力耦合分析的FEA模块,模拟计算了底架结构补强板、地板与底架连接主要焊缝的焊接过程,并对焊后底架结构的残余应力场进行分析。底架结构的焊后 Von Mises等效应力最高为143MPa,接近焊丝 ER5356的屈服强度,残余应力分布区域较窄。模拟计算获得了底架结构动应力的总体分布规律,采用基于 set特征的算法,获取了结构的承载危险点,确定了底架结构上危险部位的一次应力与二次应力水平。在采用虚拟裂纹的方案,分别开展了对半椭圆表面裂纹与角裂纹的完整性评定,评定过程中分别考虑一次应力与二次应力的作用,以及一次应力与二次应力之间的相互作用。评定结果表明,对于在牵引梁上各个危险部位存在a/2c=0.5,a=3mm的裂纹均处于安全状态,不存在脆断的危险。当补强板与牵引梁上出现 a=6mm,2c=12mm的半椭圆表面裂纹时,结构不安全,需要采取相关措施去除裂纹。　　通过对断裂韧度的机理研究,提出 A7N01P-T5铝合金断裂韧度KC(B)的厚度效应解析公式,此公式可以计算任意厚度材料的断裂韧度,具有普适性与高精度的优势,并为其它材料断裂韧度KC的厚度效应研究提供了参考。由该 KC(B)公式计算得出的KIC值为32.03 MPa·m1/2,与CTOD试验线性拟合曲线的KIC值32.02 MPa·m1/2高度吻合。　　进一步将系统应用于对高速列车底架的主要部位疲劳寿命预测,采用低频疲劳试验测试了A7N01P-T5的母材,削平余高焊件与带余高焊接试件的Δσ-N曲线。分别采用母材和削平余高焊接件的Δσ-N曲线,考虑 f(R),f(t)及f(T)修正FAT值后,实现了对承载底架结构上9个危险部位疲劳寿命预测。