具有碳纤维材料环的超高压模具

李胜华; 李金良; 王旭之

doi:10.11858/gywlxb.20200580

具有碳纤维材料环的超高压模具

doi: 10.11858/gywlxb.20200580

李胜华^1,,
李金良^2,*, ,,
王旭之¹

1.
燕山大学机械工程学院，河北秦皇岛　066000
2.
河北省重型智能制造装备技术创新中心，河北秦皇岛　066000

详细信息

作者简介:
李胜华（1995－），男，硕士研究生，主要从事超高压模具研究. E-mail：1179009877@qq.com

通讯作者:
李金良（1963－），男，教授，主要从事制造自动化系统研究. E-mail：jlli@ysu.edu.cn

中图分类号: O521.3
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出版历程
- 收稿日期: 2020-06-29
- 修回日期: 2020-07-17

Ultra-High Pressure Die with Carbon Fiber Ring

LI Shenghua^1
,,
LI Jinliang^{2,*
, ,},
WANG Xuzhi¹

1.
College of Mechanical Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao 066000, Hebei, China
2.
Hebei Heavy-Duty Intelligent Manufacturing Equipment Technology Innovation Center, Qinhuangdao 066000, Hebei, China

摘要

摘要: 介绍了一种使用钢环和碳纤维复合材料环共同预紧方式的两面顶超高压模具，该结构在全钢环两面顶模具的基础上，使用一层碳纤维复合材料环代替最外层钢环，得到了一种具有碳纤维复合材料环的超高压模具。这种设计避免了大直径钢环难以制造加工的问题，形成一种以钢环与复合材料环共同对压缸预紧的新型预紧方式。数值分析表明：该模具结构设计具有可行性，可以在一定程度上减小压缸的周向应力、最大剪切应力和等效应力。此外，对碳纤维复合材料环进行了失效判别。
- 复合材料环 /
- 超高压模具 /
- 预紧 /
- 失效判别
Abstract: Our work introduces a double-sided top ultra-high pressure die with a steel ring and a carbon fiber composite ring preloading together. Compared with the double-sided top die of the full steel ring, a layer of carbon fiber composite material ring instead of the outermost steel ring is used in this new structure, which overcomes the challenges of manufacturing and processing large-diameter steel rings and makes a new mutual pre-tightening method, in which steel rings and composite material rings are used to pre-tighten the cylinder. Based on the numerical analysis, the mold structure is proved feasible, and it is further indicated that this structure can reduce the circumferential stress, maximum shear stress and equivalent stress of the cylinder to a certain extent. In addition, the failure of the carbon fiber composite ring is also identified in this work.
- composite material ring /
- ultra-high pressure die /
- pre-tighten /
- failure identification

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图 1 两种超高压装置

Figure 1. Two ultra-high pressure devices

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图 2 具有碳纤维复合材料环的超高压模具

Figure 2. Ultra-high pressure mold with carbon fiber composite ring

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图 3 超高压模具的几何尺寸

Figure 3. Geometry of ultra-high pressure mold

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图 4 复合材料环实体模型

Figure 4. Model of composite ring

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图 5 模型的边界条件

Figure 5. Boundary condition of model

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图 6 压缸的周向应力分布

Figure 6. Circumferential stress distribution of pressure cylinder

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图 7 压缸的最大剪应力分布

Figure 7. Maximum shear stress distribution of pressure cylinder

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图 8 压缸的等效应力分布

Figure 8. Equivalent stress distribution of pressure cylinder

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图 9 外加保护层的超高压模具1/4模型

Figure 9. 1/4 model of ultra-high pressure mold with protective layer

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图 10 复合材料环的逆储备系数分布

Figure 10. Distribution diagram of inverse reserve coefficient of composite ring

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图 11 第4层与第5层支撑环的接触面压力

Figure 11. Contact surface pressure of the fourth and fifth layers of support rings

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表 1 压缸和支撑环的材料参数^[7]

Table 1. Material parameters of cylinder and support ring^[7]

Material	$\,\rho{_{_0} }$/(g·cm⁻³)	E/GPa	$\,\mu $	Failure strength/GPa	${\sigma _{\rm{c}}}$/GPa
YG8	14.60	578	0.22	6.2	3.25
45CrNiMoVA	7.83	210	0.29	1.6	0.80

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表 2 T1000/BM1复合材料参数^[8]

Table 2. Parameters of T1000/BM1 composite material^[8]

E_x/GPa	E_y/GPa	E_z/GPa	$\,\mu $_xy	$\,\mu $_yz	$\,\mu $_xz
231.4	13.2	13.2	0.28	0.25	0.28

G_xy/GPa	G_yz/GPa	G_xz/GPa	f_t,x/MPa	f_t,y/MPa	f_t,z/MPa
9.17	5.00	9.17	1731.0	66.5	66.5

f_c,x/MPa	f_c,y/MPa	f_c,z/MPa	$\,\sigma $_c,xy/MPa	$\sigma $_c,yz/MPa	$\sigma $_c,xz/MPa
−1379.0	−268.2	−268.2	133.8	100.0	133.8

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