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六面顶顶锤与预紧环的强度有限元分析

发布于:2021-09-12 20:41
有限元分析
 

       我国于1965年研制成功铰链式六面顶液压机(简称六面顶),该机主要用于合成人造金刚石、立方氮化硼等超硬材料。目前,全行业的装机总数约5300台。随着对产品产量、质量要求的不断提高,合成腔体不断扩大,合成吨位持续腌升,由初期的6x6MN,到20世纪80年代的6x8MN,再到上世纪90年代的6xZlMN,到目前已达6x39MN。为此,顶锤尺寸也在不断增加。
       六面顶的工作原理如图1所示。在工作状态下,顶锤承受着6GPa-8GPa的超高压,表面温度高达数破坏。由于预紧环结构的复杂性,无法建立预紧力的解析公式,长期以来,在预紧环结构设计、材料处理、过盈量确定、装配等环节上,缺少必要的研究,基顶锤的纵向断裂本是依据经验。对预紧环进行深入研究,对于降低顶锤应力,提高使用寿命,顺应大型化的进程具有重要意义。顶锤的破坏表现为脆性断裂,主要形式为纵向断裂(图2)。早期的光、电测应力分析,以及本文作者近期完成的三维有限元分析表明,产生纵向断裂的主要原因顶锤、预紧环的结构与材料顶锤(图3a)圆柱面D上加工有四个460大斜面和四个41。小斜面。工作状态下,在边长为a的正方形顶面上作用着合成压力。在小斜面处叶腊石受挤压产生飞边,锥角是为了方便顶锤与预紧环压配而设计的。选择6x12MN级大规格通电顶锤及预紧环为分析对象,主要结构参数如表所示。
       在于460斜面中心对称线下方存在着较大的切向拉应力。预紧环的作用是为顶锤提供足够大的径向预紧力,建立起有效的侧向支承,增加顶锤的强度。实践证明,无预紧环保护或预紧力较小时,顶锤极易产生图3六面顶顶锤、预紧环结构简图。
       顶锤与预紧环之间的压装高度范围一般为4mm-5mm,压装高度与过盈量之间的关系见表3。配合要求紧密,接触面积不得低于80%。分析中,取压装高度smm,即单边过盈量。
       利用有限元分析软件ANSYS对顶锤和预紧环的过盈配合进行分析。根据结构及载荷等方面的对称性,分析模型取对象的L/4。使用oshd92单元进行网格划分,结果见图4。假设顶锤底面沿纵向,非工作状态下顶锤圆柱面上的预紧力可以看出,因过盈配合所产生的预紧力在顶锤表面上的分布是不均匀的。从底面到顶面,预紧力逐渐减小,最终在圆柱面与锥面相交的棱边处减小到0。预紧力最大值为0.758GPa,在顶锤圆柱面底部MX标记处取得。沿圆周方向,同一高度上的预紧力也不相同。预紧力的平均值较小,只有0379GPa。产生预紧力非均匀分布的原因,主要在于顶锤与预紧环的形状,由于圆柱上部材料被去除了一部老分,使得其预紧作用被严重削弱,因此,所产生的预紧力也随之减小,同时还削减了自身的强度。与BELT装置顶锤相比,六面顶顶锤的预紧力分布显然不利于增强顶锤的强度。
       由于过盈配合,预紧环内产生的等效应力场如图所示,其最大值为1.24GPa,出现在预紧环460,预紧环的等效应力分布图斜面中心线的最上端。由图中可以看出,等效应力最大值小于材料的屈服强度(132GPa),且区域较小,因此,非工作状态下,压装后的预紧环不会发生塑性变形。轴)的位移为零,取顶锤的圆柱面为目标面、预紧环的内圆柱面为接触面,分别附以接触单元,进行常温下的接触问题分析。当两个物体相互压紧时,在接触区附近产生的应力和应变,被称为接触应力和接触应变。



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