随着国内能源、建筑、化工等行业的飞速发展,厚大钢结构得到广泛的使用。而对于一些处在恶劣服役环境下的重要部位钢结构来说,其结构安全性和稳定性显得至关重要。焊接技术是金属材料连接过程中的一种重要且常见的加工手段,但是焊接接头一直以来被认为是焊接结构中的薄弱位置,尤其是厚大接头中由于焊接导致的残余应力和变形会严重影响构件的使用。特别是对于能源和化工等行业而言,其关键运行设备大部分采用奥氏体不锈钢和镍基合金制成,而这些材料具有非常明显的加工硬化倾向,因此导致焊后残余应力过高,从而使得焊接接头中容易产生应力腐蚀现象,另外焊后变形也会影响构件的精确安装。目前有限元方法已经被用来预测焊接残余应力和变形,但是对于厚大焊接接头而言,繁多的焊道数目和庞大的网格数量会使计算时间变得冗长,因此在现有硬件条件下,开发新的计算方法来提升计算效率显得尤为重要。本文以能源和化工行业中常见的奥氏体不锈钢和镍基合金材料为研究对象,采用ABAQUS通用有限元数值模拟软件,基于热-弹-塑性计算方法,考虑材料非线性、几何非线性、加工硬化和退火软化问题,对厚大焊接接头的残余应力及变形进行数值模拟。同时,还分别采用小孔法或切片法实际测量了接头的残余应力分布,通过对比计算结果和实验结果验证了计算结果的有效性。进一步的,文中还开发不同的简化计算手段来提升计算效率,并对比了不同计算手段和常规手段之间计算精度和效率的差异。通过采取优化后的计算手段,文中针对核电喷嘴鞍型管-母管之间的焊接残余应力进行了模拟,并采取了全释放法来验证计算结果的准确性。此外,文中还基于Fortran语言开发了局部真空电子束焊移动热源模型,并与传统气体保护焊计算结果进行了对比。研究结果表明:1)瞬间热源模型和移动热源模型计算得到的残余应力分布差异不大,但是移动热源计算应力场所花费的时间约为瞬间热源的10倍左右;2)对于轴对称模型和平面应变模型,三维瞬间热源模型和二维模型计算得到的残余应力分布差异不大,但是前者所花费的时间约是后者的数百倍;3)对于不能简化为二维模型的复杂结构而言,可以采用合并焊道法和瞬间热源模型来进一步提升效率。具体来说,纵向合并焊道对残余应力的计算精度影响并不十分显著,而横向合并焊道对残余应力的计算精度有一定程度的影响;从计算时长结果来看,合并焊道计算都会使得计算时间大幅缩短,在合并焊道数目不变的前提下,纵向合并和横向合并所带来的计算效率的提升是基本一致的。4)与气体保护焊相比,局部真空电子束焊可以显著减少焊接变形。同时,电子束焊接接头中具有高纵向拉伸应力的范围明显窄于气体保护焊产生的范围。而且,前者产生的纵向残余应力的最大值小于后者引起的纵向残余应力的最大值。气体保护焊接接头试验焊接时间花费约为9 h,而局部真空电子束焊接接头试验焊接时间花费约为2 min;数值模拟计算结果中,前者花费的时间约为135 h,而后者花费的时间约为71 h。本研究所开发的计算方法为厚大钢结构焊接接头的残余应力高效精确预测提供了一定的理论基础。同时,本文所得到的主要结论也为解决实际厚大焊接接头残余应力计算时间过长提供了不同的解决思路,具有一定的科学研究价值和较强的工程应用价值。