随着我国国防工业、航空航天和芯片行业的快速发展,加上今年尤为明显的中美贸易摩擦,都迫使我国的基础研究和高精尖技术必须实现国产化。20世纪以来我国的工业级金刚石年产量长期保持世界前列,而高品质和宝石级金刚石产量较少,成本高,但是却在高端装备研发与制造中发挥着极其关键的作用,用于合成高品质和宝石级金刚石的两面顶超高压装置长期处于国外垄断且关键技术尚未公开。最近几年以来我国的两面顶超高压装置在往大型化方向发展的进程迟缓,这在一定程度上限制了超高压技术的发展。由于年轮式两面顶装置外层预应力环经常断裂,为了解决这个问题,姚裕成等将模具外层受力比较大的几个预应力环替换为钢丝缠绕层;由于大质量硬质合金模具加工困难,吉林大学李明哲教授等提出多层交错剖分预紧式的两面顶结构,显著提升压缸承压能力。本研究提出一种新型的钢丝缠绕剖分式超高压模具,在压缸剖分块外部的支撑环上缠上钢丝缠绕层,在避免使用大件硬质合金的情况下,不但易于实现大腔体,还避免使用易断裂的最外层大直径支撑环,降低机加工难度,另外还能够提高模具的承压能力,增加腔体尺寸的稳定性。本文通过对钢丝预应力模具进行分析得出钢丝缠绕层、压缸应力、压缸稳定性和支撑环应力的分布规律,内容和结论如下:(1)提出了本新型钢丝缠绕剖分式超高压模具,并进行了理论分析。得出钢丝缠绕剖分式压缸承载能力是年轮式压缸的两倍,并阐述了三种钢丝缠绕方式,其中重点分析了等张力缠绕,求出压缸腔体加载后钢丝轴向应力的分布,并与数值模拟比较。(2)对钢丝缠绕剖分式超高压模具进行了 ANSYS APDL参数化建模。为了降低计算成本,采用梁单元对钢丝进行建模,并利用生死单元方法实现钢丝张力的顺序加载。(3)对采用不同直径钢丝等张力预紧超高压模具进行数值模拟研究。对钢丝轴向应力进行了分析,并得出其在压缸高度方向和径向的分布规律。对压缸应力和稳定性进行分析,得出压缸在圆周方向和高度方向的分布规律,压缸径向位移与压缸径向压应力成正比。对支撑环应力进行了分析,得出最大周向应力出现的位置,易受拉破坏,适当增加钢丝直径,可延长支撑环疲劳寿命,也可对等效应力最大位置进行局部强化。(4)对采用不同厚度支撑环的钢丝缠绕超高压模具进行数值模拟研究。对于钢丝轴向应力:压缸腔体未加载时,钢丝轴向应力随支撑环厚度的增加增大;压缸腔体加载后,大支撑环厚度相较于小支撑环厚度的钢丝轴向应力小。对于压缸应力与稳定性:随支撑环厚度的增大,压缸周向应力,等效应力,第一主应力和最大剪应力都有所降低;提高支撑环厚度可以明显提高压缸稳定性。对于支撑环应力:提高支撑环厚度可以有效降低支撑环周向应力,避免支撑环周向拉伸断裂破坏;适当增加支撑环厚度可以减小支撑环内壁等效应力,增加到一定程度后在支撑环圆周方向和高度方向的等效应力减小幅度较小。图[60]表[3]参[91]