【摘要】：隨著高壓物理、地球科學(xué)和高壓化學(xué)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(shè)備的要求也在不斷提高。超高壓模具在生產(chǎn)實踐中是產(chǎn)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(xiàn)代高壓設(shè)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(chǎn)量,最重要的是可以提升合成產(chǎn)品的品質(zhì)。然而,在目前的技術(shù)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(zhì)合金的生產(chǎn)加工難度較高,成本較大,而且質(zhì)量不能得到保證,這些因素限制了模具大型化的發(fā)展進(jìn)程。為了降低高壓模具硬質(zhì)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(shè)計了剖分式超高壓模具。該模具在充分考慮大質(zhì)量支承和側(cè)向支承原理的基礎(chǔ)上結(jié)合了傳統(tǒng)的厚壁圓筒容器的結(jié)構(gòu)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(nèi)部離散的硬質(zhì)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(jié)構(gòu)可以有效的消除壓缸周向應(yīng)力,降低壓缸應(yīng)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(jìn)行一系列的研究和優(yōu)化,對比內(nèi)壁為弧面和平面兩種類型腔體的應(yīng)力狀態(tài),對不同離散程度的壓缸進(jìn)行了應(yīng)力分析,比較支撐環(huán)離散條件下的應(yīng)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(shè)計、加工和應(yīng)用提供理論依據(jù)和參考。本文主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:1.剖分式超高壓模具設(shè)計和結(jié)構(gòu)分析剖分式高壓模具是應(yīng)用大質(zhì)量和側(cè)向支承原理同時結(jié)合厚壁圓筒的結(jié)構(gòu)特點設(shè)計而成,是一種實現(xiàn)超高壓模具大型化的新思路。壓缸內(nèi)壁有兩種形式,一種是弧面內(nèi)壁,與年輪式壓缸相比,降低了壓缸應(yīng)力水平;另外一種是平面內(nèi)壁,與前兩種相比能夠進(jìn)一步消除壓缸應(yīng)力。剖分式超高壓模具是一種全新的超高壓模具結(jié)構(gòu),對其進(jìn)行了相關(guān)的力學(xué)分析,推導(dǎo)出工作載荷傳遞特點,對相關(guān)參數(shù)的計算和相關(guān)設(shè)計原則進(jìn)行介紹,為超高壓模具的設(shè)計提供理論指導(dǎo)。2.剖分式超高壓模具有限元模型建立根據(jù)所涉及高壓模具的結(jié)構(gòu)特點,應(yīng)用有限元分析軟件Ansys/Workbench對其進(jìn)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(shù)模型和接觸以及摩擦條件等進(jìn)行探討。應(yīng)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(yù)緊狀態(tài)和施加載荷狀態(tài)下的應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析,年輪式模具壓缸內(nèi)壁都會產(chǎn)生很高的應(yīng)力,周向應(yīng)力是導(dǎo)致年輪式壓缸破壞的主要因素,而弧面型剖分式模具應(yīng)力水平較低。為進(jìn)一步降低離散化壓缸的應(yīng)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(yīng)力影響很小。3.剖分式結(jié)構(gòu)壓缸的應(yīng)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(yīng)力分布情況。數(shù)值模擬結(jié)果表明,弧面型剖分式離散化壓缸應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(yīng)力、最大切應(yīng)力和周向應(yīng)力。將弧面壓缸優(yōu)化為平面式壓缸后進(jìn)一步降低了壓缸應(yīng)力水平,使壓缸在支撐環(huán)預(yù)緊作用和內(nèi)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(yīng)力。硬質(zhì)合金剖分塊在支撐環(huán)的預(yù)緊作用下相互擠壓,并且產(chǎn)生摩擦作用,增強了側(cè)向支撐效果,使剖分式壓缸的承壓能力得到增強。模擬結(jié)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(jié)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(yīng)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(yīng)力的影響在模具大型化中可以根據(jù)模具的具體尺寸來決定壓缸的剖分塊數(shù),對于平面型剖分式模具隨著離散程度的增加壓缸應(yīng)力逐漸升高,同時討論預(yù)緊力對壓缸應(yīng)力的影響。對不同離散程度的壓缸的極限承壓能力進(jìn)行預(yù)測,最后模擬結(jié)果通過實驗進(jìn)行驗證。在選取剖分塊數(shù)時,應(yīng)該結(jié)合具體的模具尺寸和生產(chǎn)應(yīng)用情況,當(dāng)模具尺寸較小時剖分塊數(shù)不易過多,而當(dāng)壓缸的尺寸較大時,為降低硬質(zhì)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(shè)計和生產(chǎn)應(yīng)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(jìn)行離散化,可以使模具大型化難度更低。數(shù)值模擬結(jié)果表明,在支撐環(huán)離散程度較低時,應(yīng)力變化很小,通過比較分析后可以發(fā)現(xiàn),支撐環(huán)的離散程度不易過大。討論了不同摩擦系數(shù)時,支撐環(huán)的應(yīng)力變化,在制作支撐環(huán)零件時,應(yīng)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(nèi)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(xiàn)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(yīng)力分布更加合理,應(yīng)用目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計的方法對模具進(jìn)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(jié)構(gòu)受力的影響,得到在一定條件下的各個參數(shù)最佳值,為剖分式超高壓模具的設(shè)計提供參考。
【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】：2018
【分類號】：TG76
【圖文】：

吉林大學(xué)博士學(xué)位論文預(yù)緊以增強壓缸和頂錘的側(cè)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(chǎn)生更高的大合成腔體積，增加單次產(chǎn)量。該裝置在工作中會產(chǎn)生極高的壓力，生極高的拉應(yīng)力和剪切應(yīng)力，壓缸往往會因為這些高應(yīng)力的存在過早時，在徑向上，應(yīng)力的分布極為不均勻，硬質(zhì)合金材料的性能沒有得

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

圖3.1年輪式模具1/2模型

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2776236