容器板壳结构的制造中经常因舱口、法兰、人孔、接管等结构的设置和连接而引入具有封闭回路的焊缝(封闭焊缝),这些封闭环形对接焊缝或角焊缝的中间区域为中空的圆孔,虽然封闭焊缝一般都是在较大的拘束条件下进行焊接的,但中间孔的存在则会降低封闭焊缝焊接时的拘束度,板厚较小的焊接构件焊后中间孔位置区域易发生失稳变形,进而影响焊接构件的装配精度和使用性能。某厂大型箱形容器圆形法兰-板壳结构是一种典型的具有封闭焊缝的焊接结构,大跨度箱形容器、大尺寸圆形法兰-薄板的结构特点加剧了焊后的变形程度。本文借助有限元仿真软件对带有大尺寸圆形法兰的大跨度薄板结构焊接过程进行模拟分析,研究了圆形法兰-板壳结构焊后变形特征,并在分析变形机理的基础上提出了增加结构刚度、优化焊接顺序等变形控制措施,并采用仿真方法考察了变形的控制效果。研究发现:1.法兰-板壳结构焊后各区域产生不同程度的塌陷变形,其中最大塌陷位移6.184 mm位于法兰圆周内径,法兰圆周外径最大塌陷位移为4.790 mm,法兰圆周内外径对应节点最大塌陷位移差值(即法兰平面度)为1.797 mm,表现为法兰盘内凹弯曲变形。此外,法兰盘外环最大/最小直径差值为4.080 mm,即焊后法兰圆度变差,圆度为2.040 mm。2.法兰-板壳结构发生变形的原因与环形角焊缝焊后的径向收缩和周向收缩有关。环形角焊缝径向收缩(横向收缩)不均匀,角焊缝表面发生的横向收缩比焊根大,表层的横向收缩比内部大,使得法兰-板壳结构产生角变形,另外,其大的结构跨度和大直径的中间孔降低拘束度、8 mm的大焊脚尺寸会增加热输入等实际情况,加剧了角变形的严重程度;其中,刚度更低的斜顶壁板较圆法兰变形的角度更大;环形角焊缝周向收缩使环形焊缝周长趋于减小,其影响是对法兰盘所在环形区域引入指向圆中心的压应力,其促进斜顶壁板环形区域的进一步倾斜塌陷以及其上法兰盘发生内凹变形,同时,斜顶壁板整体呈现轻微的压曲失稳变形。3.法兰-板壳结构下方设置紧密接触的临时环形补强板的措施焊后最大塌陷变形、圆度、平面度分别为2.612 mm、0.695 mm、1.216 mm,三个指标控制效果较原有焊接方案提升了 57.76%、65.93%、32.33%,法兰盘弯曲失稳变形得到有效控制。4.在法兰-板壳结构下方设置紧密接触的临时环形补强板的基础上采用不同焊接顺序的分段焊,对比分析得出分段焊对法兰盘塌陷形变量均控制在2 mm以下,其中最佳焊接顺序下焊后最大塌陷变形、圆度、平面度分别为1.583 mm、0.135 mm、0.689mm,三个指标控制效果较原有焊接方案提升了 74.40%、93.38%、61.66%。