无缝冷轧钢管因其晶粒组织细小,几何尺寸精确,表面精确度高等特点,在机械设备,航空制造,汽车工业等行业中具有广泛应用。周期式二辊冷轧管机是生产无缝冷轧钢管的一种重要装备,但存在生产效率低、产品质量不稳定等难题,因此轧机高速化成为冷轧管机研究的重要方向。然而轧机高速化后,在轧制过程中会产生较大的不平衡惯性力,严重影响轧机工作的稳定性和工作部件的寿命,并且容易产生振动,对模具寿命和轧管精度等会造成严重影响。因此,针对二辊冷轧管机进行结构优化设计与模拟仿真研究,对于掌握其静动态力学和运动特性,实现高速状态下的稳定轧制,促进我国周期式二辊冷轧管机和无缝冷轧钢管制造技术的提升,均具有重要的理论和工程意义。本文以LG35周期式二辊冷轧管机为研究对象,通过理论分析和数值模拟技术对其进行结构优化设计,以保证轧机高速运行的稳定性和产品的可靠性。主要工作如下:首先分析了周期式二辊冷轧管机的加工原理和主传动机构的运动形式,并基于ADAMS多体动力学软件建立了轧机主传动系统的运动仿真模型,得到了各构件节点的速度、加速度和位移曲线,以及构件间相互作用力和轧制力曲线,为轧机的最终优化提供了理论条件。在对当前轧机普遍采用的偏心齿轮式平衡方式进行详细分析的基础上设计了一种“在高速轴的另一侧增设平衡轴,同时在曲柄轴和平衡轴上均附加一定的弧扇形质量块”的同步双曲柄轴平衡方案,采用ADAMS软件对附加的弧扇形质量块进行了平衡参数优化,得到了扇形平衡块的最优几何尺寸:内径为105.31 mm、外径为518.98mm、高度为112.52mm。该优化方案使得轧机主传动系统的不平衡惯性力降低了 80.76%,为轧机最终的高速化提供了可能。采用Hyperworks/Optistruct软件首先对轧机机架进行了静态结构分析和模态分析,确定了机架的可优化空间和性能标准。其次,基于SIMP的变密度法建立了机架的拓扑优化模型,以单元密度为设计变量,机身体积分数最小化为目标函数,机架材料的许用应力值和整机柔度值为约束条件,实现了机架拓扑优化。拓扑优化结果显示,优化后机架质量由672.9 kg减小至533.0 kg,优化率为20.79%。相比传统的优化方法而言,拓扑优化后的LG35轧机机架轻量化效果显著,并且优化结果满足其对静态结构和动态性能的要求。对优化后的轧机进行装配试验,评估高速轧制状态条件对成品管质量的影响。通过Abaqus有限元仿真软件建立了 LG35冷轧管机周期式轧制过程的有限元仿真模型,模拟结果表明:最大轧制力和理论计算值相差12.12%;通过计算成品管外径偏差率,壁厚偏差率和截面椭圆度3项指标,实现了对轧管成形质量的定量表征。此外,对比高速轧制状态下的模拟结果可以看出,轧制力、轧管的成形质量和轧管的应力应变分布不受轧制速度的影响。