【摘要】：隨著高壓物理、地球科學和高壓化學的發(fā)展,以及對超硬材料需求的不斷增長,人們對超高壓設備的要求也在不斷提高。超高壓模具在生產實踐中是產生超高壓力的核心部件,除了需要有承受超高壓力的能力外,還需要有足夠大的合成空間以滿足使用要求。超高壓模具大型化是現代高壓設備發(fā)展的重要趨勢,大型化的高壓模具不但能夠提高單次的合成產量,最重要的是可以提升合成產品的品質。然而,在目前的技術條件下,高壓模具大型化過程中面臨的最主要的問題是較大尺寸硬質合金的生產加工難度較高,成本較大,而且質量不能得到保證,這些因素限制了模具大型化的發(fā)展進程。為了降低高壓模具硬質合金壓缸的制造難度、提高模具承壓能力,同時降低模具大型化難度,設計了剖分式超高壓模具。該模具在充分考慮大質量支承和側向支承原理的基礎上結合了傳統(tǒng)的厚壁圓筒容器的結構特點,是一種新型的超高壓模具。該模具主要包含三個部分:內部離散的硬質合金壓缸、中間的高強鋼離散塊和外部的高強鋼支撐環(huán)。該結構可以有效的消除壓缸周向應力,降低壓缸應力水平,使模具的極限承壓能力得到較大程度提高。最重要的是降低了零件尺寸,易于擴大腔體容積,降低模具使用成本。本文通過有限元分析方法對剖分式高壓模具進行一系列的研究和優(yōu)化,對比內壁為弧面和平面兩種類型腔體的應力狀態(tài),對不同離散程度的壓缸進行了應力分析,比較支撐環(huán)離散條件下的應力特點,對具有離散化壓缸和離散化支撐環(huán)的高壓模具優(yōu)化,為剖分式超高壓模具的設計、加工和應用提供理論依據和參考。本文主要研究內容和結論如下:1.剖分式超高壓模具設計和結構分析剖分式高壓模具是應用大質量和側向支承原理同時結合厚壁圓筒的結構特點設計而成,是一種實現超高壓模具大型化的新思路。壓缸內壁有兩種形式,一種是弧面內壁,與年輪式壓缸相比,降低了壓缸應力水平;另外一種是平面內壁,與前兩種相比能夠進一步消除壓缸應力。剖分式超高壓模具是一種全新的超高壓模具結構,對其進行了相關的力學分析,推導出工作載荷傳遞特點,對相關參數的計算和相關設計原則進行介紹,為超高壓模具的設計提供理論指導。2.剖分式超高壓模具有限元模型建立根據所涉及高壓模具的結構特點,應用有限元分析軟件Ansys/Workbench對其進行有限元的模型建立。對建立模型中的單元格類型、邊界條件、材料參數模型和接觸以及摩擦條件等進行探討。應用靜態(tài)隱式算法對年輪式模具和弧面剖分式高壓模具在預緊狀態(tài)和施加載荷狀態(tài)下的應力分布情況進行分析,年輪式模具壓缸內壁都會產生很高的應力,周向應力是導致年輪式壓缸破壞的主要因素,而弧面型剖分式模具應力水平較低。為進一步降低離散化壓缸的應力水平,將弧面壓缸優(yōu)化為平面式壓缸。通過比較分析表明,剖分式壓缸對支撐環(huán)的應力影響很小。3.剖分式結構壓缸的應力分析對比年輪式壓缸和剖分式壓缸在施加載荷條件下的應力分布情況。數值模擬結果表明,弧面型剖分式離散化壓缸應力遠遠小于年輪式壓缸,弧面剖分式的壓缸能夠有效地降低壓缸所受等效應力、最大切應力和周向應力。將弧面壓缸優(yōu)化為平面式壓缸后進一步降低了壓缸應力水平,使壓缸在支撐環(huán)預緊作用和內部工作載荷的作用下處于類似靜水壓力環(huán)境,降低了壓缸所受切應力。硬質合金剖分塊在支撐環(huán)的預緊作用下相互擠壓,并且產生摩擦作用,增強了側向支撐效果,使剖分式壓缸的承壓能力得到增強。模擬結果表明,三種模具的極限承壓能力分別為5.1GPa、5.9GPa和7.6GPa。模具極限承壓能力測試結果表明,年輪式壓缸、弧面型剖分式壓缸和平面型剖分式壓缸在破壞時所對應液壓油的壓力分別為7.5MPa、9.4MPa和12.4MPa。4.壓缸離散化對模具應力的影響在模具大型化中可以根據模具的具體尺寸來決定壓缸的剖分塊數,對于平面型剖分式模具隨著離散程度的增加壓缸應力逐漸升高,同時討論預緊力對壓缸應力的影響。對不同離散程度的壓缸的極限承壓能力進行預測,最后模擬結果通過實驗進行驗證。在選取剖分塊數時,應該結合具體的模具尺寸和生產應用情況,當模具尺寸較小時剖分塊數不易過多,而當壓缸的尺寸較大時,為降低硬質合金的加工制造難度宜選用離散程度大的壓缸。選取合適的離散化程度的壓缸對高壓模具的設計和生產應用具有重大意義。5.支撐環(huán)離散對模具的影響將高強鋼支撐環(huán)同樣進行離散化,可以使模具大型化難度更低。數值模擬結果表明,在支撐環(huán)離散程度較低時,應力變化很小,通過比較分析后可以發(fā)現,支撐環(huán)的離散程度不易過大。討論了不同摩擦系數時,支撐環(huán)的應力變化,在制作支撐環(huán)零件時,應該綜合考慮加工制造成本使零件表面粗糙度降低。為限制內部離散部分的徑向位移,提出了將模具端面由平面變?yōu)樾泵娴姆椒�。將支撐環(huán)離散化易于實現模具大腔體。6.剖分式超高壓模具的優(yōu)化為使剖分式高壓模具的應力分布更加合理,應用目標參數優(yōu)化設計的方法對模具進行最優(yōu)尺寸計算。分析了壓缸高徑比、高度比、壓缸外徑以及壓缸錐角和端面角度對結構受力的影響,得到在一定條件下的各個參數最佳值,為剖分式超高壓模具的設計提供參考。
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TG76
【圖文】：

吉林大學博士學位論文預緊以增強壓缸和頂錘的側向支撐力；中間的部分為合成腔體。目前研究主要集中在兩個方面，一是盡可能提高其承壓能力，即產生更高的大合成腔體積，增加單次產量。該裝置在工作中會產生極高的壓力，生極高的拉應力和剪切應力，壓缸往往會因為這些高應力的存在過早時，在徑向上，應力的分布極為不均勻，硬質合金材料的性能沒有得

第二章 剖分式超高壓模具的設計加合成腔體容積，降低模具制造成本。設計基本原承原理外還有：理：這個原理是樣品作用在壓缸內壁的壓力傳遞到應力、壓強和面積的關系可知，壓強與面積成反比面積不變的情況下，應力越大壓強越大。當樣品在生很大的壓強，我們假設這種壓強不變且為定值，傳遞到支撐環(huán)內壁時，這時由于支撐環(huán)內壁的面積就會變小，減小的幅度與壓缸內壁面積和支撐環(huán)內

圖3.1年輪式模具1/2模型

【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

1 孟為民;楊杰偉;靳永偉;;基于有限元法的六面頂壓機頂錘應力分析及結構優(yōu)化[J];金剛石與磨料磨具工程;2014年05期

2 楊云飛;李明哲;劉志衛(wèi);王伯龍;;纏繞式擠壓筒結構及纏繞層預應力分析[J];機械工程學報;2015年12期

3 牛曉敏;夏亞濤;;有限元方法應用研究現狀[J];科技致富向導;2013年23期

4 于歌;韓奇鋼;李明哲;賈曉鵬;馬紅安;李月芬;;新型圓角式高壓碳化鎢硬質合金頂錘的有限元分析[J];物理學報;2012年04期

5 武琪;彭放;李慶華;;金剛石對頂砧中密封墊的探究[J];西南民族大學學報(自然科學版);2010年06期

6 韓奇鋼;馬紅安;肖宏宇;李瑞;張聰;李戰(zhàn)廠;田宇;賈曉鵬;;基于有限元法分析寶石級金剛石的合成腔體溫度場[J];物理學報;2010年03期

7 胡恩良;陶知恥;;我國第一顆人造金剛石的誕生[J];超硬材料工程;2009年06期

8 韓奇鋼;賈曉鵬;馬紅安;李瑞;張聰;李戰(zhàn)廠;田宇;;基于三維有限元法模擬分析六面頂頂錘的熱應力[J];物理學報;2009年07期

9 李瑞;韓奇鋼;賈曉鵬;馬紅安;任國仲;劉景和;;旁熱式高壓合成腔體內溫場分布的有限元模擬[J];金剛石與磨料磨具工程;2009年02期

10 劉娜;劉戰(zhàn)存;;布里奇曼對高壓物理學的研究[J];大學物理;2009年03期

本文編號：2776236