本文定义了无缝钢管坯料设计(以下简称坯料设计)问题,并分别对圆坯重量单一、圆坯重量不同、考虑工艺约束以及综合考虑订单、圆坯和工艺约束的坯料设计问题进行了逐次递进的系统化研究。其主要内容和创新点如下:(1)从无缝钢管热轧生产过程中,提取并定义了坯料设计问题,对其背景、特点和约束进行了分类整理。针对坯料设计问题的基本形式,建立了以最小化圆坯使用数量为目标的数学模型,并利用三划分归结证明了其为强NP难问题;给出了问题下界的紧界,并且设计了基于订单最小分配重量的订单分配和重分配策略;提出了基于贪婪策略的两阶段快速启发式HAGS算法,并通过仿真实验实验正了 HAGS算法的有效性。(2)针对存在有限种不同重量的圆坯可供使用的坯料设计问题,以最小化圆坯剩余重量和最小化圆坯使用数量为目标,建立了问题的多目标混合整数模型;根据订单最小分配重量原则,给出了求解订单的全部子订单组合方案的方法。以此为基础,提出了 INSGAⅡ多目标求解算法,其中的编码、解码操作,重组、变异操作以及拥挤密集排序方法考虑了问题的特点;INSGAⅡ算法在有效获得问题的Pareto解集时表现出非常好的稳定性。(3)针对考虑工艺约束的坯料设计问题,依据问题的结构特点,将其分解为外层为订单-短坯匹配子问题、内层为圆坯-短坯的切割子问题的双层嵌套问题;建立了以最小化圆坯使用数量和最小化圆坯切割次数为目标的数学模型,并求得了外层子问题的值域;提出了基于测和动态规划的圆坯选择短坯策略和基于此策略的启发式算法;仿真实验表明该算法可以在短时间内解决大规模坯料设计问题,且具有良好的稳定性。(4)针对订单参数为区间值、原料库中有有限种圆坯可以使用并且综合考虑工艺约束的坯料设计问题,在对订单、圆坯和工艺约束进行分析、抽象的基础上,建立了以最小化圆坯剩余重量和最小化计划外钢管产品重量为目标的数学模型;分析了问题变量的对应关系,缩减了问题的定义域,简化了问题模型;提出了基于动态选择短坯策略、订单参数松弛策略和贪婪策略的启发式算法;实验结果表明,算法能够很好地满足生产实际中的特殊要求。