列车高速化是我国目前铁路客运发展的战略方向。转向架构架是高速列车的重要部件，为了确保列车的安全性能以及运行的品质，转向架焊接构架的材质及焊接接头的力学性能需要具有较高的要求。因此，优化焊接工艺、提高焊接质量对提高列车的安全运行有着十分重要的应用价值和现实意义。本文结合2010年长春市科技发展计划项目《CRH3-350转向架焊接变形控制与数值模拟》对转向架构架的焊接工艺优化设计方法及其应用进行了系统、深入的理论分析。主要工作包括：第一，本文简要叙述了经典传热学的研究内容。将三种热传递的方式，即热传导、热对流、热辐射的原理做了简要概述，并对三种方式的控制微分方程进行推导。在此基础上本文将从温度控制方向与哈尔滨汽轮机厂合作项目相结合，对燃气轮机燃烧室过渡段简化模型设计冷却方案，并对其进行三维数值模拟。本文针对此类燃烧室过渡段冷却技术，建立了过渡段简化模型流场的数学物理模型，通过计算流体力学（CFD）多物理场耦合分析，研究复合冲击冷却条件下流场、热场、应力场等多物理耦合场的分布及相互影响规律。因此，本文首先基于对不同冲击孔角度和射流方向的数值模拟，发现通过增加冲击孔的倾斜度以及射流的角度可以使壁面温度和冷却效率达到最佳值。其次，本文提出在气流场中引入离散相雾化液滴以提高换热效果，增强流场湍流。利用FLUENT软件数值模拟研究了液滴/空气冲击冷却壁面的热传导强化冷却问题。本文的分析结果可为实验研究提供指导和借鉴，并可为未来对曲面模型冲击冷却进行更加复杂的分析提供参考。第二，焊接热源模型是焊接数值模拟的一个重要内容。本文简要介绍了焊接过程数值模拟的各种加载模式：一维的Rosenthal热源模型、二维的高斯热源模型、双椭球热源模型。并在此基础上，本文采用顺序耦合的分析方式，对不同材料和结构设计了自适应高温截断方法。并基于S355J2G3的材料性质，对截断温度进行阈值优选，建立了模拟仿真优劣的评价方式。同时，本文将自适应高温截断策略应用于T型接头算例，研究结果表明最优截断温度下的仿真结果与实验值相吻合，确立的评价标准科学合理，提高了位移解的精度并缩短了计算时间，实现了焊接数值模拟的高效性与精确性，并将其扩展应用到转向架构架侧梁等大型结构焊接中。自适应高温截断技术对于焊接数值模拟具有重要意义。第三，在轨道客车转向架构架的制造及应力变形分析中，经常遇到曲线动态焊接热源建模难度大，不易实现的情况。为解决该问题，本文根据焊接结构特征，研究了空间复杂焊接路径热源建模理论，定义了焊接热源坐标移动模式。据此，只需通过简单的参数输入和Ansys软件操作即可完成曲线路径动态焊接的热源建模，设计了平面曲线路径、空间曲线路径和转向架复杂模型焊接热源加载方法。本文提出的移动热源模型和焊接曲线路径实现方法，是利用数值模拟研究焊接路径，在加深对焊接过程的理解同时，可设计选择合理工艺，控制残余应力和变形，从而可以实现高效、优质的焊接过程仿真，具有重要的理论研究和工程应用意义。随后，本文将局部坐标移动曲线路径热源加载方法和自适应高温截断策略应用于T型接头算例，研究结果表明最优截断温度下的仿真结果与实验值相吻合，确立的评价标准科学合理，提高了位移解的精度并缩短了计算时间，实现了焊接数值模拟的高效性与精确性。第四，对于高速机车转向架构架的生产质量而言，关键是控制构架侧梁的焊接变形。本文的研究基础是热弹塑性理论，根据热-机耦合算法创建了侧梁热弹塑性仿真模型，通过有限元分析软件ANSYS，研究了转向架构架焊接顺序和方向对侧梁焊接变形量的影响，得出了焊接顺序对变形的影响规律，从而使实际生产过程中对转向架构架焊接质量的控制有据可依。为了减少仿真模型计算量，提高计算效率等方面考虑，在创建该数值仿真模型中，采用正交试验设计方法，分析了转向架构架焊接残余变形和产生的残余应力，得到了焊接顺序和方向的最优方案。同时，通过比较最优方案、次优方案、企业方案和顺序方案，我们发现本研究的最优方案比企业焊接方案的转向架构架焊接的残余变形减少5.5%，残余应力减少了6.3%。使数值仿真领域中最复杂的焊接过程仿真得以直接应用于工程中，为高速机车转向架构架在实际生产过程中的焊接质量的控制提供了可靠的依据。最后，对全文进行了系统的总结并对未来的工作进行了展望。