电弧增材制造（Wire-Arc Additive Manufacturing,WAAM）是以电弧为热源来熔化丝材进行定向沉积的一种增材制造技术。近年来,随着贵重、难加工金属材料以及定制型复杂结构件使用量的增加,电弧增材制造凭借其低成本和高灵活性等优点逐渐由航空航天领域扩展至一般民用工业制造领域。然而,由于增材制造过程中电弧热源局部多次加热的特点,由此而产生的复杂温度场导致增材制造结构件内部具有很高的残余应力和显著的宏观变形。随着结构件成形尺寸的增加,残余应力的分布会更加复杂且变形量也通常会随之增加。残余应力和宏观变形不仅会降低结构件的使用性能,也影响其外观形状,在严重的情况下将直接导致制造失败。因此,目前电弧增材制造尚未实现大型结构件的工程应用,仍需要做进一步的基础研究。本文作为基础研究,以Q345为基板,Y309L为沉积材料的MIG-WAAM成形件为研究对象,基于MSC.Marc有限元软件平台,开发了同时考虑材料非线性和几何非线性的热-弹-塑性有限元计算方法来模拟增材制造过程中的温度场、应力场和变形。采用所开发的计算方法对薄壁墙体结构件、薄壁圆形结构件以及多层多道次电弧增材制造过程中温度场、应力场和变形的演化规律进行了数值模拟,并采用实验手段验证了数值模拟结果的妥当性。基于数值模拟结果,探讨了沉积顺序、沉积层数以及层间温度等工艺因素对薄壁墙体结构件电弧增材制造过程中温度场、应力场和变形的影响规律。在多层多道次电弧增材制造过程中还探讨了基板厚度和层间温度对温度场、应力场及变形的影响。研究结果表明:1)在连续增材制造过程中,随着沉积层数的增加,基板和成形件内部热量的累积逐渐增大,沉积材料所经历的峰值温度和平均温度均会逐渐增加,而冷却速度也随之逐渐降低。2)增材制造过程中,沉积材料会随着温度的变化经历多次应力循环。由于后续材料沉积产生的温度场对邻近的已沉积材料有软化作用,因此先沉积层产生的应力会受到后续沉积层的显著影响。从数值模拟结果来看,最后沉积层对成形件残余应力分布和大小的影响最为显著。3)增材制造完成后,薄壁墙体成形件内部以纵向拉伸残余应力为主,且两侧的应力分布梯度较大,同时沉积层数和层间温度对成形件的残余应力分布也有较大影响。4)薄壁圆形成形件应力分布为底部内壁侧压应力与外壁侧的拉应力相互平衡,中部位置主要为周向拉伸残余应力而顶部位置主要为周向压缩残余应力。5)薄壁墙体结构件整体的变形模式为纵向弯曲变形,薄壁圆形结构件为基板四周上翘而内部下沉,随着沉积层数的增加,圆形成形件在径向方向上逐渐往里缩进。6)在本研究中的连续多层多道次电弧增材制造过程中,相较于前两种薄壁结构件,基板和成形件内部热量的累积速度更快,材料的冷却速度更慢。增材制造完成后,成形件内部主要为纵向拉伸残余应力,而横向拉伸残余应力主要分布在基板上下表面。7)对于本研究中的连续多层多道次电弧增材制造而言,增加基板厚度能有效提高沉积材料的冷却速度,同时可以减小基板变形。层间温度对成形件和基板残余应力的分布和大小有较大影响,而对基板角变形的影响较小。