桥梁和船舶等制造业一直以来受到焊接变形导致的生产费用提高,延误工期等问题的困扰。随着计算机计算能力的不断提高和数值计算技术的发展,有限元数值模拟成为研究各种焊接现象的重要手段。寻求预测焊接变形的简便实用的数值方法,对提高生产效率,改进产品质量有着重要的工程意义。热弹塑性有限元法是研究焊接现象的最根本的数值方法。该方法跟踪整个焊接热循环过程中温度场和应变应力场的瞬态变化,计算结果可以达到较高精度。但对于实际大型焊接结构,该方法不但占用计算机资源,而且耗时冗长,故只适用于研究小型焊接接头各种焊接现象的产生机制。要预测大型结构的焊接变形,一般采用简化的弹性有限元方法。然而,现有的简化方法对于角焊缝角变形的预测效果并不理想。本文介绍了预测焊接变形简化方法的思路和特点,指出了只有正确认识焊接变形产生的本质,才能充分有效利用简化有限元方法预测焊接变形。本文以非线性有限元分析为平台,以T型接头直角焊为对象,用映射应变分量的方法研究角焊缝角变形的产生机制。研究结果表明,沿焊缝横向的固有正应变分量使直角略有变小,纵向和竖向固有正应变分量均使直角略有变大,实际直角变小的角变形效果主要来源于平行于焊缝的平面内垂直于焊缝方向的不均匀固有剪切应变分量,另外两个固有剪切应变分量对角变形的影响可以忽略。本文通过对角焊缝热弹塑性数值结果的处理和分析,提出了角焊缝固有剪切应变的双抛物面分布模型,并通过大量有限元数值实验归纳出模型函数表达式中各待定参数与焊缝长度、热输入密度、焊件厚度等因素之间的经验公式。基于固有剪切应变的双抛物面分布模型,本文进一步提出了预测角焊缝角变形的固有剪切应变法。该方法将角焊缝处固有剪切应变分量的修正近似值作为焊接结构的初始应变,施加在有限元模型相应的角焊缝区域,通过线弹性分析预测角焊缝焊接结构的角变形效应。本文用固有剪切应变法对T形接头和加筋板进行了焊接角变形预测,并开展了相应的焊接实验,预测结果和实验结果吻合较好。固有剪切应变法纠正了传统的简化方法用横向固有正应变预测角焊缝角变形的方向性错误,拓展了预测焊接变形简化方法的适用变形类型,能经济快速且较为准确地分析大型结构中角焊缝与周围弹性结构的综合作用变形效应,具有一定的工程实用价值。