超高压技术是研究高压的产生和在高压作用下物质物理状态变化规律的一门科学,其在科学研究和工业生产中的应用越来越广泛。高压研究依赖各种高压装置,其中大腔体静态高压模具因具有样品空间大和稳定的高温高压环境等优点成为科研人员争相研究的热点,科研人员对于具有更高稳定压力的大腔体模具需求日益迫切,然而,大体积硬质合金制造加工困难成为限制高压模具大型化的主要因素。预紧式多层交错剖分超高压模具是一种新型的超高压模具,它是结合传统年轮式模具和剖分式圆筒容器的特点设计而成,由扇形块压缸、离散化预紧环和箍紧环三部分组成。其核心优势在于不仅具有年轮式模具稳定的温度场和压力场,同时还具有更高的承压能力和更大的腔体容积,因其需要的硬质合金体积小,从而解决了模具大型化的困难。本文采用数值模拟方法分析了预紧式多层交错剖分模具在受力时的应力分布情况,与年轮式模具做了对比分析,并且设计加工了相应的模具;根据扇形块压缸的受力特点设计了新型的双斜边扇形块压缸,探讨了压缸的承压能力并进行了实验验证;针对扇形块压缸的结构特点,对压缸进行了优化计算,并研究了扇形块压缸实际工作过程中的受力特点;分析了扇形块压缸内叶腊石介质受挤压的过程,并对腔体内叶腊石的应力分布进行了研究。本文主要研究内容及归纳如下:1.预紧式多层交错剖分超高压模具设计原理及结构特点预紧式多层交错剖分模具是在年轮式模具的基础上结合剖分式圆筒容器的优点设计设计而成,是一种可实现超高压模具大型化的方法。根据大质量支撑原理设计的压缸,作用在压缸内壁的压力会沿压缸径向方向扩散和离散扇形块之间摩擦力的影响而进一步ii减小,最终只有很小的压力作用在缩套筒体内壁。推导了两层筒体的配合尺寸关系,根据筒体尺寸和内壁压力大小计算了筒体之间的过盈配合尺寸,并且在有无内压作用时,分别计算了缩套筒体配合后的残余应力。2.预紧式多层交错剖分超高压模具有限元模型建立及应力分析基于预紧式多层交错剖分超高压模具的结构特点,探讨了在有限元软件ANSYS/Workbench中所需施加的边界条件;建立了预紧式多层交错剖分超高压模具的有限元模型,探讨模型中材料模型、单元类型、接触及摩擦条件的选择;采用静态隐式算法对其应力分布特点进行了分析,并与年轮式模具作对比。结果表明:预紧式多层交错剖分模具扇形块压缸的周向拉应力很小,等效应力和剪切应力同样明显减小;过盈配合缩套在一起的箍紧环在压缸受压前后的应力变化不大,通过调整剖分块的层数和块数可以调整箍紧环的受力,即使腔体内压力足够大仍能保证箍紧环的安全;预紧式多层交错剖分模具的承压能力是由压缸决定的,且压缸的切应力先于等效应力达到强度极限。3.双斜边扇形块压缸设计及应力分析扇形块压缸的内应力可以分为两部分,一部分为平均应力,一部分为偏应力,其中导致压缸失效的为偏应力,为使压缸内壁的偏应力减小,在扇形块前端进行倒直角处理,探讨了双斜边扇形块压缸的应力分布情况。结果表明:双斜边扇形块在受压时,斜边会给予扇形块一个侧向支撑力,在侧向支撑力的作用下,扇形块压缸的偏应力减小,从而降低了扇形块压缸的剪切应力和等效应力;双斜边扇形块压缸的承压能力显著增加,但外层箍紧环在受压时的压力与扇形块压缸模具相比变化很小;当压缸块数、斜边角度和斜边长度分别为6、20°和0.5 mm时,双斜边扇形块受压时具有最小的应力值。4.预紧式多层交错剖分超高压模具压缸优化为提高预紧式多层交错剖分超高压模具的承压能力,运用优化设计的方法对扇形块压缸的最优尺寸进行了计算,分析了压缸高径比、压缸高度比和压缸厚度比对压缸承压能力的影响。结果表明:扇形块压缸的承压能力由压缸高径比、压缸高度比和压缸厚度比三种共同决定,并且合理的范围分别为1到2、2.4到2.8和4.5到6.5。5.预紧式多层交错剖分超高压模具实验受力分析为验证模拟结果的准确性,分别对年轮式模具、预紧式多层交错剖分模具和双斜边扇形块压缸的预紧式多层交错剖分模具进行实验验证,相应的承压分别为328 KN、536KN和584 KN,预紧式多层交错剖分模具及其改进型模具的承压能力远大于年轮式模具。预紧式多层交错剖分模具实验测量的压力明显大于数值模拟的结果,数值模拟结果显示预紧式多层交错剖分模具的承压能力是年轮式模具的1.3倍左右,而实验测量所得结果为1.6倍左右。通过数值模拟分析试样“飞边”对扇形块压缸的影响,结果表明:试样在上下顶锤挤压过程中在扇形块缝隙中形成的“飞边”对扇形块侧面有侧向支撑的作用,在侧向支撑力的作用下压缸的承压能力均超过7.5 GPa,此数值与实验结果基本相同;优化后的扇形块压缸在“飞边”侧向支撑力的作用下,承压能力超过8.2 GPa。6.预紧式多层交错剖分超高压模具腔体内的传压介质应力分析为研究腔体内叶腊石介质在受压时的应力分布情况,选用普遍适用于岩土材料的Druker-Prager模型定义叶腊石的弹塑性本构关系,采用有限元方法对腔体内叶腊石受挤压的过程进行了分析。结果表明,在顶锤下表面叶腊石流动最大的区域具有最高的压力,叶腊石试样中心区域具有第二高的压力,并且沿径向和轴向方向逐渐减小;年轮式模具腔体内压力明显小于预紧式多层交错剖分模具腔体内压力,但两者腔体内的压力分布相同;以经过烧结的叶腊石粉末加工叶腊石试样进行实验验证,压缸破坏时的承压分别为328 KN和536 KN,模拟结果和实验结果与上文中的结果趋于一致。