驱动辊顶部和底部具有闭合模具结构的异形环件热轧制过程(以下简称为闭模异形环件热轧制过程)是通过驱动辊绕自身固定轴的转动及芯辊向驱动辊的进给运动使环件壁厚减薄、直径扩大的先进塑性成形工艺,它具有节能、节材、高效和低噪音等优点,所生产的环件具有良好的综合力学性能。因此,在航空航天、风力发电、核电、矿山机械和造船等领域具有广阔的应用前景。与常见矩形截面环件轧制过程相比,闭模异形环件热轧制过程中的金属流动规律更为复杂、材料变形特点差异较大,在实际异形环件轧制过程中,轧制过程不稳定,轧制环件的尺寸精度低和微观组织及力学性能控制难度大,轧制力较大,易导致模具损坏,这在一定程度上限制了闭模异形环件轧制工艺在工程中的应用。要解决上述问题必须研究和掌握轧制过程中金属的流动规律,选择合理的芯辊进给策略及轧辊运动控制方法,揭示成形参数对轧制过程的影响规律,研究轧制环件的微观组织与宏观力学性能间的内在联系。因此,迫切需要研究闭模异形环件热轧制过程的数学建模方法、稳定轧制环件的芯辊进给策略、成形参数优化选择等问题,揭示轧制过程中金属的变形机理,这对于分析工艺与模具参数对轧制过程的影响规律、实现稳定的成形过程、优化成形工艺和提高产品性能具有重要的理论指导意义。本文利用数值模拟与实验相结合的方法,以典型的异形环件(内L形和锥形环件)热轧制过程为研究目标,分别建立了内L形和锥形环件热轧制过程的数学模型,提出了能够实现环件外半径恒速度长大的芯辊进给策略,推导了轧制过程中轧辊的运动控制方程,确定了轧制过程中环件的塑性锻透条件和咬入条件,获得了芯辊进给速度的合理取值范围。在此基础上,分别建立了内L形和锥形环件热轧制过程的有限元数值模拟模型,分析获得了内L形和锥形环件的等效应变及温度随轧制时间的变化规律,系统研究了初始环坯温度、驱动辊转速、芯辊进给速度、驱动辊半径和芯辊半径等工艺参数对轧制环件的等效应变和温度分布均匀性、平均轧制力和轧制力矩的影响规律。开展了闭模内L形环件热轧制实验研究,通过室温拉伸实验、低温冲击韧性实验、SEM及EBSD测试等方法,深入探索了所轧制的内L形环件微观组织结构与宏观力学性能之间的内在联系,对比了内L形环件微观组织变形的实验结果与模拟结果,验证了内L形环件热轧制过程的有限元模型的正确性,揭示了环件轧制过程中金属的变形规律。本文的主要工作如下：(1)建立了闭模内L形环件热轧制过程的数学模型,提出了一种能够实现稳定轧制过程的环件外半径恒速度长大的芯辊进给策略,推导了轧制过程中轧辊运动的控制方程,确定了轧制过程中环件的塑性锻透条件和咬入条件,得到了芯辊进给速度的合理取值范围。基于所建立的闭模内L形环件热轧制过程的数学模型,在ABAQUS软件平台行进行了二次开发,建立了闭模内L形环件热轧制过程的热力耦合三维有限元数值模拟模型,并验证了该模型的可靠性,分析获得了轧制环件的等效应变及温度分布规律、环件的应力分布规律及轧制力和轧制力矩随轧制时间的变化规律,为芯辊进给速度的合理选择提供了科学方法。(2)基于建立的闭模内L形环件热轧制过程热力耦合三维有限元数值模拟模型,系统研究了环坯初始温度、驱动辊转速、芯辊进给速度、驱动辊半径和芯辊半径等成形参数对轧制环件的等效应变和温度分布均匀性、平均轧制力和平均轧制力矩的影响规律,揭示了成形参数对环件变形的影响机理,获得了最优的成形参数取值,为实际内L形环件轧制成形工艺参数的选择提供了理论指导。(3)采用室温拉伸实验、低温冲击韧性实验、SEM断口形貌分析、EBSD微观组织分析等手段,实验研究并获得了轧制环件的室温强度和塑性性能、低温冲击性能,揭示了轧制环件的拉伸断裂和低温冲击韧性断裂机理,分别分析了镦粗坯料与内L形环件沿径向、切向和轴向的晶粒尺寸大小、晶粒尺寸分布均匀性、晶粒取向差分布及织构大小与分布规律,揭示了轧制环件的宏观金属变形流线、微观组织及细观织构之间的内在关系。(4)建立了闭模锥形环件热轧制过程的数学模型,提出了一种能够实现环件外半径恒速度长大的芯辊进给策略,推导了轧制过程中轧辊运动的控制方程,建立了轧制过程中锥形环件的塑性锻透条件和咬入条件,推导了芯辊进给速度的合理取值范围。基于所建立的闭模锥形环件热轧制过程的数学模型,在ABAQUS软件平台上进行了二次开发,建立了闭模锥形环件热轧制过程的热力耦合三维有限元数值模拟模型,分析获得了轧制环件的等效应变及温度分布规律、轧制力和轧制力矩随轧制时间的变化规律,研究表明,所建立的闭模锥形环件热轧制过程的数学模型可实现锥形环件的稳定轧制模拟,研究结果对于为实际闭模锥形环件热轧制过程工艺参数的选择具有理论指导意义。(5)基于建立的闭模锥形环件热轧制过程的热力耦合三维有限元数值模拟模型,系统研究了质量缩放因子、时间缩放因子和重划分网格次数等模拟参数对模拟时间和轧制环件体积损失的影响规律,分析了芯辊进给速度、驱动辊半径及芯辊半径分别对轧制环件等效应变和温度分布均匀性、平均轧制力和平均轧制力矩的影响规律,揭示了锥形环件轧制过程中金属的变形机理,获得了优化的模拟参数和成形参数取值。