本文關(guān)鍵詞：預(yù)緊式多層交錯剖分超高壓模具研究　出處：《吉林大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：超高壓技術(shù)是研究高壓的產(chǎn)生和在高壓作用下物質(zhì)物理狀態(tài)變化規(guī)律的一門科學(xué),其在科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越廣泛。高壓研究依賴各種高壓裝置,其中大腔體靜態(tài)高壓模具因具有樣品空間大和穩(wěn)定的高溫高壓環(huán)境等優(yōu)點成為科研人員爭相研究的熱點,科研人員對于具有更高穩(wěn)定壓力的大腔體模具需求日益迫切,然而,大體積硬質(zhì)合金制造加工困難成為限制高壓模具大型化的主要因素。預(yù)緊式多層交錯剖分超高壓模具是一種新型的超高壓模具,它是結(jié)合傳統(tǒng)年輪式模具和剖分式圓筒容器的特點設(shè)計而成,由扇形塊壓缸、離散化預(yù)緊環(huán)和箍緊環(huán)三部分組成。其核心優(yōu)勢在于不僅具有年輪式模具穩(wěn)定的溫度場和壓力場,同時還具有更高的承壓能力和更大的腔體容積,因其需要的硬質(zhì)合金體積小,從而解決了模具大型化的困難。本文采用數(shù)值模擬方法分析了預(yù)緊式多層交錯剖分模具在受力時的應(yīng)力分布情況,與年輪式模具做了對比分析,并且設(shè)計加工了相應(yīng)的模具;根據(jù)扇形塊壓缸的受力特點設(shè)計了新型的雙斜邊扇形塊壓缸,探討了壓缸的承壓能力并進行了實驗驗證;針對扇形塊壓缸的結(jié)構(gòu)特點,對壓缸進行了優(yōu)化計算,并研究了扇形塊壓缸實際工作過程中的受力特點;分析了扇形塊壓缸內(nèi)葉臘石介質(zhì)受擠壓的過程,并對腔體內(nèi)葉臘石的應(yīng)力分布進行了研究。本文主要研究內(nèi)容及歸納如下:1.預(yù)緊式多層交錯剖分超高壓模具設(shè)計原理及結(jié)構(gòu)特點預(yù)緊式多層交錯剖分模具是在年輪式模具的基礎(chǔ)上結(jié)合剖分式圓筒容器的優(yōu)點設(shè)計設(shè)計而成,是一種可實現(xiàn)超高壓模具大型化的方法。根據(jù)大質(zhì)量支撐原理設(shè)計的壓缸,作用在壓缸內(nèi)壁的壓力會沿壓缸徑向方向擴散和離散扇形塊之間摩擦力的影響而進一步ii減小,最終只有很小的壓力作用在縮套筒體內(nèi)壁。推導(dǎo)了兩層筒體的配合尺寸關(guān)系,根據(jù)筒體尺寸和內(nèi)壁壓力大小計算了筒體之間的過盈配合尺寸,并且在有無內(nèi)壓作用時,分別計算了縮套筒體配合后的殘余應(yīng)力。2.預(yù)緊式多層交錯剖分超高壓模具有限元模型建立及應(yīng)力分析基于預(yù)緊式多層交錯剖分超高壓模具的結(jié)構(gòu)特點,探討了在有限元軟件ANSYS/Workbench中所需施加的邊界條件;建立了預(yù)緊式多層交錯剖分超高壓模具的有限元模型,探討模型中材料模型、單元類型、接觸及摩擦條件的選擇;采用靜態(tài)隱式算法對其應(yīng)力分布特點進行了分析,并與年輪式模具作對比。結(jié)果表明:預(yù)緊式多層交錯剖分模具扇形塊壓缸的周向拉應(yīng)力很小,等效應(yīng)力和剪切應(yīng)力同樣明顯減小;過盈配合縮套在一起的箍緊環(huán)在壓缸受壓前后的應(yīng)力變化不大,通過調(diào)整剖分塊的層數(shù)和塊數(shù)可以調(diào)整箍緊環(huán)的受力,即使腔體內(nèi)壓力足夠大仍能保證箍緊環(huán)的安全;預(yù)緊式多層交錯剖分模具的承壓能力是由壓缸決定的,且壓缸的切應(yīng)力先于等效應(yīng)力達到強度極限。3.雙斜邊扇形塊壓缸設(shè)計及應(yīng)力分析扇形塊壓缸的內(nèi)應(yīng)力可以分為兩部分,一部分為平均應(yīng)力,一部分為偏應(yīng)力,其中導(dǎo)致壓缸失效的為偏應(yīng)力,為使壓缸內(nèi)壁的偏應(yīng)力減小,在扇形塊前端進行倒直角處理,探討了雙斜邊扇形塊壓缸的應(yīng)力分布情況。結(jié)果表明:雙斜邊扇形塊在受壓時,斜邊會給予扇形塊一個側(cè)向支撐力,在側(cè)向支撐力的作用下,扇形塊壓缸的偏應(yīng)力減小,從而降低了扇形塊壓缸的剪切應(yīng)力和等效應(yīng)力;雙斜邊扇形塊壓缸的承壓能力顯著增加,但外層箍緊環(huán)在受壓時的壓力與扇形塊壓缸模具相比變化很小;當壓缸塊數(shù)、斜邊角度和斜邊長度分別為6、20°和0.5 mm時,雙斜邊扇形塊受壓時具有最小的應(yīng)力值。4.預(yù)緊式多層交錯剖分超高壓模具壓缸優(yōu)化為提高預(yù)緊式多層交錯剖分超高壓模具的承壓能力,運用優(yōu)化設(shè)計的方法對扇形塊壓缸的最優(yōu)尺寸進行了計算,分析了壓缸高徑比、壓缸高度比和壓缸厚度比對壓缸承壓能力的影響。結(jié)果表明:扇形塊壓缸的承壓能力由壓缸高徑比、壓缸高度比和壓缸厚度比三種共同決定,并且合理的范圍分別為1到2、2.4到2.8和4.5到6.5。5.預(yù)緊式多層交錯剖分超高壓模具實驗受力分析為驗證模擬結(jié)果的準確性,分別對年輪式模具、預(yù)緊式多層交錯剖分模具和雙斜邊扇形塊壓缸的預(yù)緊式多層交錯剖分模具進行實驗驗證,相應(yīng)的承壓分別為328 KN、536KN和584 KN,預(yù)緊式多層交錯剖分模具及其改進型模具的承壓能力遠大于年輪式模具。預(yù)緊式多層交錯剖分模具實驗測量的壓力明顯大于數(shù)值模擬的結(jié)果,數(shù)值模擬結(jié)果顯示預(yù)緊式多層交錯剖分模具的承壓能力是年輪式模具的1.3倍左右,而實驗測量所得結(jié)果為1.6倍左右。通過數(shù)值模擬分析試樣“飛邊”對扇形塊壓缸的影響,結(jié)果表明:試樣在上下頂錘擠壓過程中在扇形塊縫隙中形成的“飛邊”對扇形塊側(cè)面有側(cè)向支撐的作用,在側(cè)向支撐力的作用下壓缸的承壓能力均超過7.5 GPa,此數(shù)值與實驗結(jié)果基本相同;優(yōu)化后的扇形塊壓缸在“飛邊”側(cè)向支撐力的作用下,承壓能力超過8.2 GPa。6.預(yù)緊式多層交錯剖分超高壓模具腔體內(nèi)的傳壓介質(zhì)應(yīng)力分析為研究腔體內(nèi)葉臘石介質(zhì)在受壓時的應(yīng)力分布情況,選用普遍適用于巖土材料的Druker-Prager模型定義葉臘石的彈塑性本構(gòu)關(guān)系,采用有限元方法對腔體內(nèi)葉臘石受擠壓的過程進行了分析。結(jié)果表明,在頂錘下表面葉臘石流動最大的區(qū)域具有最高的壓力,葉臘石試樣中心區(qū)域具有第二高的壓力,并且沿徑向和軸向方向逐漸減小;年輪式模具腔體內(nèi)壓力明顯小于預(yù)緊式多層交錯剖分模具腔體內(nèi)壓力,但兩者腔體內(nèi)的壓力分布相同;以經(jīng)過燒結(jié)的葉臘石粉末加工葉臘石試樣進行實驗驗證,壓缸破壞時的承壓分別為328 KN和536 KN,模擬結(jié)果和實驗結(jié)果與上文中的結(jié)果趨于一致。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O521;TG76

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本文編號：1320613