超高压装置在固体地球科学、凝聚态物理、材料化学等科学研究和金刚石等超硬材料的工业生产中发挥着不可替代的作用。随着科学研究的不断深入和工业生产水平的提高,对超高压装置的要求也在提高,目前迫切需要一种同时具有高压力极限和大腔体的超高压装置。但其受到超高压装置的核心部件,即超高压模具的承压能力以及腔体大型化时所需大尺寸硬质合金制造的限制。因此,开展新型超高压模具结构设计对高压科学研究和金刚石的工业生产具有重要意义。剖分式超高压模具是基于未裂先分思想提出的一种新型模具结构,通过将传统的年轮式模具进行剖分,能够有效降低压缸内壁的周向拉应力,提高模具的承压能力。同时可以显著减小硬质合金压缸的尺寸,从而解决大尺寸硬质合金制造的难题,使模具腔体易于实现大型化。剖分式超高压模具作为一种全新的模具结构,虽然已有一定的研究工作,但仍存在一些不足之处,亟需进一步的合理设计和深入研究。本文研究与设计了一种双层剖分式超高压模具,通过有限元法对双层剖分式模具进行应力和变形分析、承压能力预测,对剖分层结构进行了优化设计,并进行了相关的实验验证,旨在为剖分式超高压模具的合理设计和实际应用提供理论依据。本文研究的主要内容和结论如下:1.双层剖分式超高压模具结构设计及力学分析对双层剖分式模具的设计原理和技术特点进行了分析;基于厚壁筒理论对双层剖分式模具进行了相关的力学分析,讨论了多层组合圆筒的最佳设计原则,推导了层间过盈量的计算方法;确定了双层剖分式模具的几何尺寸。2.双层剖分式超高压模具有限元模型构建及过盈装配过程分析探讨了材料及失效准则的选取、过盈接触算法的处理、分析单元的选择、加载条件的简化等问题,建立了双层剖分式超高压模具的有限元模型。采用静力隐式算法对双层剖分式模具的过盈装配过程进行了有限元分析,研究了压缸和支撑环在过盈装配状态下的变形情况和应力分布特点。3.双层剖分式超高压模具高压载荷下的有限元分析通过有限元法研究了双层剖分式模具在高压载荷作用下的应力分布特点,并与年轮式模具进行比较分析。结果表明,双层剖分式模具压缸的周向拉应力明显小于年轮式模具,压缸应力状态得到改善,其Mises应力和最大剪应力均有所降低;但支撑的应力与年轮式模具相差不大。对比研究了单层剖分式模具、双层剖分式模具和多层剖分式模具压缸和支撑环的应力、位移分布特点。结果表明,双层剖分式模具与单层剖分式模具的应力相似,从模具加工制造的角度考虑,应尽可能多层地将模具进行剖分,但多层剖分时会造成外侧支撑环的应力和压缸剖分块的径向位移增大,这表明双层剖分式模具结构更为合理。对双层剖分式模具的极限承压能力进行了预测,其最大承压能力分别为5.66GPa和6.57GPa。采用破坏性实验对年轮式模具和双层剖分式模具的承压能力进行测试,实验结果表明,与年轮式模具相比,双层剖分式模具的承压能力提高了19.1%。4.双层剖分式超高压模具结构优化设计研究设计了内方外圆、内圆外方、内方外方三种剖分层组合结构,研究了三种组合结构下模具的应力分布特点,并与优化前的内圆外圆组合结构进行了对比分析。结果表明:采用内方外圆组合结构时,压缸的应力显著降低,但是第一层支撑环的应力略有增大;采用内圆外方组合结构时,压缸的应力基本没有变化,而第一层支撑环出现了明显的应力集中;采用内方外方组合结构时,压缸的应力显著降低,而第一层支撑环同样出现了明显的应力集中。针对采用内方外方组合结构时第一层支撑环出现的应力集中现象,提出一种基于变过盈量配合的结构方法,研究了四种变过盈量形式对减小应力集中的影响。结果表明,支撑环剖分块的内壁采用弧面结构或者多段连续平面结构时,其应力集中均显著减小;与采用圆形压缸时相比,其应力最大可降低18.1%。对采用内方外方组合结构时双层剖分式模具的承压能力进行了预测,其最大承压能力为8.91GPa,与腔体和压缸均为圆形时的双层剖分式模具相比,提高了35.6%。分别通过压缸和支撑环剖分块的破坏性实验对有限元分析结果进行了验证,实验结果与有限元分析结果基本一致。5.剖分块数量对双层剖分式超高压模具的影响研究设计了具有不同剖分块数量的双层剖分式模具结构,采用有限元法研究了剖分块数量对模具应力分布和腔体变形的影响。结果表明,剖分块数量为3时,压缸的应力较大,且腔体变形严重,说明剖分块数量为3的双层剖分式结构是不合理的。随着剖分块数量从4增加到10,压缸的应力逐渐增大,模具的承压能力也相应地降低;同时压缸剖分块的径向位移逐渐减小,腔体变形减小。随着剖分块数量的增加,第一层支撑环的应力可以保持在较低的水平,但第二层支撑环的应力逐渐增大,四层支撑环之间的应力不均匀程度增加。这表明,剖分块的数量并非越多或者越少越好,当剖分块较多或者较少时均有各自的优势和不足。采用有限元法对具有不同剖分块数量双层剖分式模具的极限承压能力进行了预测,并以剖分块数量为4和8的双层剖分式模具为研究对象进行了选择性验证实验,实验结果与有限元分析结果基本一致。6.四含八双层剖分式超高压模具结构设计研究基于剖分块数量的研究,设计了一种四含八双层剖分式模具,研究了平行剖分和交错剖分两种剖分面布置形式模具应力和压缸剖分块的径向位移分布特点。结果表明:剖分面布置形式对模具应力和压缸剖分块位移的影响很小;四含八双层剖分式模具能够获得与压缸和支撑环剖分块数量均为8时基本相同的压缸应力和位移水平,同时可以获得与压缸和支撑环剖分块数量均为4时基本相同的支撑环应力水平。研究了腔体高径比、压缸尺寸、过盈量、压缸锥角以及模具端面角对四含八双层剖分式模具应力以及压缸剖分块径向位移的影响。在此基础上,尝试设计了一种结构紧凑型双层剖分式模具。有限元分析结果表明,对于四含八双层剖分式模具,可采用三层支撑环,在支撑环材料性能得到充分利用的同时,使模具结构更加紧凑,减小支撑环尺寸,降低模具的加工难度和制造成本。