变极性等离子弧（Variable Polarity Plasma Arc，VPPA）的概念起始于1947年，但是一直没有得到真正的开发。这是一种非常有效的焊接铝合金材料的焊接方法，因其焊缝成型美观，焊缝质量高，所以被广泛的用于焊接航天结构件。虽然结构件的焊接热力过程分析越来越受到航天工业的重视，但是现在鲜有对VPPA热源的研究，并且航天结构件焊接模拟还涉及焊接热源在空间结构上的行走问题，因此VPPA焊接的热力数值分析的需求大，问题多，任务重。因此，本文以VPPA热源和航天薄壁壳体结构件热力过程分析这两个问题展开研究。本文较为全面的研究了VPPA焊工艺，发现了VPPA焊工艺参数对焊缝形貌特征的影响：离子气流量增大，正面熔宽减小，背面熔宽增大；喷嘴高度到工件的距离增大，正面熔宽增大，背面熔宽减小；钨极内缩量增大，背面熔宽增大。通过本文设计的模型建立流程，建立起变极性穿孔型等离子弧焊热源模型。焊接平均电流、焊接速度、离子气流量、喷嘴高度和钨极内缩量五大参数包含在这个热源模型中，并带有确定的函数关系。通过数值模拟分析，预测了一种工艺下的焊缝接头特征，并用实验证实了模拟分析的准确性。针对筒体不同焊缝形式，不同结构类型提出了不同的建立分析模型的方法。对于简单筒体分析模型，应该使用“自上而下”的建模方法，而对于复杂结构，应该使用“自下而上”的建模方法。扫略网格划分方法是解决具有交叉焊缝的复杂结构件有效的网格划分方法。采用坐标变换的方法，解决了面高斯热源模型和圆柱体热源模型在筒体上的加载。分析了在复杂筒体结构中，不同焊接工序带来的焊接变形的演变过程。同样使用扫略网格的方法建立分析模型，获得了可以用于半球结构热构耦合计算的网格模型。对热源加载模型进行少量的简化后，将球面问题转化为圆椎面问题。通过投影法将面高斯热源加载到球面上，利用局部坐标系控制圆柱热源的加载，最后求解得到薄壁半球结构在焊接法兰时的应力分布和变形趋势。本文对薄壁半球结构的变形预测对实际工程有一定的指导意义，并作为反变形的理论基础。