两面顶模具由于具有较为稳定的高压环境、保压能力强等特性,因此在高品质人造金刚石和立方氮化硼的制造上具有特殊优势。随着科学研究的不断深入和工业生产水平的提高,现在迫切需要一种同时具有超高极限压力和较大腔体容积的超高压模具,但是随后带来的是大尺寸压缸和钢制支撑环难于制造加工等难题。为解决上述问题,本文对传统两面顶的模具压缸进行几何结构的改进,使其具有高承压能力以及较大腔体容积,并且不会增加制造加工的难度。本文首先对传统单层及多层厚壁圆筒承压时的各向应力进行理论分析,得出了适合两面顶模具设计的最优化方法,接着在传统两面顶模具的基础上,将模具压缸内壁的几何形状从圆柱形转变为类球形的球弧状,设计出具有球弧式内壁的超高压模具。该球弧式模具解决了两面顶模具承压能力和腔体容积相互矛盾的技术难题,使两面顶模具既能承受较高的压力也具有较大的腔体容积。使用ANSYS Workbench分析软件中的DM模块建立超高压模具的几何模型,并对模具的预紧状态和工作状态进行了有限元分析,验证了模具在这两种工况下的安全性。本文将压缸最大等效应力和最大切应力作为模具的评价指标,对球弧式超高压模具进行分析。结果表明所提出的球弧式超高压模具与传统两面顶模具相比等效应力减小了15.43%、最大切应力减小了23.4%,证实了球弧式结构能有效降低模具的周向拉应力,提高模具承压能力。并对模具应力的变化进行详细分析,分析结果表明球弧式结构应力分布更加合理。接着根据双层厚壁圆筒缩套理论推导出多层预应力环的最佳过盈量公式并对公式进行验证,对影响支撑环应力的主要因素和腔体容积的装填方式进行探究。最后通过分析球弧结构的过渡直线、过渡圆弧、球弧半径和半锥角对应力的影响规律,得到模具结构最优的参数组合。