全世界每年钢管制品的消耗量近5亿吨，钢管生产新技术的发展始终是世界钢铁行业所关注的焦点问题之一。钢管减径过程金属变形非常复杂，金属流动规律难以掌握，在缺乏系统精确分析的条件下，实际生产中不得不以多次反复试验来决定轧辊孔型及轧制生产工艺流程，从而造成产品成本高，生产周期长，开发新产品困难等问题。因此，系统地研究钢管减径过程中的金属变形规律、温度变化以及金属组织的演变，具有重要的现实意义和理论价值。针对上述问题本文开展了一系列的研究工作。本文首次开发了钢管减径过程三维刚塑性热力耦合有限元程序，针对钢管减径过程特点，建立了复杂辊形曲面描述模型和斜约束模型，确定了钢管与轧辊的接触判断准则，建立了钢管减径过程的传热模型及热力耦合模型，实现了钢管减径过程热力耦合模拟。首次将钢管减径过程分解为多个轧制机架的变形区与机架间传热区的组合，采用欧拉法建立了钢管减径模型，并建立了适用于二辊、三辊钢管张力减径有限元仿真模型。开发了对称模型、非对称模型子程序，有效地解决了原程序仿真过量占用计算机系统资源的问题。本文将金属热变形过程的组织演化模型引入有限元程序，利用有限元计算结果对钢管减径过程中的组织演化过程进行了模拟。通过对连轧模型中的张力分布研究认为：连轧过程中张力是与连轧过程中材料的硬化和软化过程密切相关的，无须进行事先假设材料性能，张力变化在程序中可自动完成。开发了与钢管减径过程相关的辅助工艺系统，能够用来确定轧辊的速度制度及张力系数等。基于OPENGL图形标准，首次利用VB开发了融热力耦合刚塑性有限元、组织预报、有限元前后处理于一体的钢管减径过程虚拟仿真集成系统。将本集成系统的仿真结果与若干钢厂张减机的成品钢管实测结果对比证明，本文开发的虚拟仿真集成系统是正确、可靠的，并已成功地应用于美国Timken公司的实际工作当中。本文的工作为进一步研究钢管生产全过程的“虚拟生产系统”的关键技术奠定了坚实基础，所开发的虚拟仿真集成系统可以推广到棒材、型钢等的轧制过程模拟中。