金属双极板冲压过程有限元模拟及优化范文

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摘要：金属双极板是交换膜燃料电池的重要零部件，为了充分发挥其作用，本文对金属双极板冲压过程有限元模拟及工艺优化进行了分析。

关键词：金属双极板；冲压过程；有限元模拟；工艺优化

1金属双极板研究进展

（1）金属极板冲压成形基础工艺研究进展。双极板是质子交换膜燃料电池的重要零件，它的好坏程度直接影响电池的性能，也影响电池制作的成本。采用冲压工艺制作的金属双极板能提高电池的比功率，并且这样形成的电池具有功率密度高且污染力度小的优点，帮助制造商减低部分生产成本，是目前很有发展前景的动力电源，有很高的市场前景。（2）金属极板冲压成形工艺研究进展。成形工艺的研究属于微成形技术范畴，其中的变形区域不想对其他方面偏大，且变形的情况多具体在细节上，数目很小，在对其进行有限元模拟时必须使用大量的网络，成本略高。国内对金属基板冲压成形工艺的研究大约有以下几种，首先李茂春老师在自己的著作中分析了简易流场板模型的模拟结果，对板料在冲压过程中的可变性进行了分析；其次，彭林发老师对微细成型工艺中的材料尺度效应建立了新的模型，对双极板中薄板的仿真指导有重大理论意义。尽管这些理论对我们建造金属双极板有较大的功用，但是对成型工艺来说还不够严谨，尤其在成形工艺的参数对比和模具分析上还有很多碎片化的细节需要进一步考究[1]。

2金属极板成形工艺

上述中已经分析了成形工艺的重点——拉深工艺，通过拉深工艺我们可以为自己制得所需要的形状，为实际极板的制作提供各种形状的零部件，如果将拉深结构与其他类似工艺相重合使用，就能制作出复杂的元件。（1）拉深变形过程及特点。拉深是一种通过已制成的空间建加工成其他行程的冲压加工方法，为双极板的制作提供各种形状的原件，当平板毛坯受外力变成一杯形件时，随着它凸模的下行，使毛坯半径不断减小，圆形毛坯渐渐形成直壁，处于凸模下方的材料则成为拉深工艺的第五，当板料进入模间，原本平板的毛坯就有形成一定的直径和高度。如果在这个过程中去们去掉凸模中的阴影部分，把剩余的部分沿着直径折合起来，辅以焊接技术就能为整个模具去除杂乱部分，但是杂乱材料不可能完全剔除，所以我们一般认为杂乱的材料再毛坯模具的作用下产生了流动。如果像了解流动状况可以采用坐标网格实验，在毛坯模具前画一些等距离的同心圆辐射线。综上，我们得出解困处于毛坯凸模低下的物料在实际拉深工艺中的变化并不算大，并且变形主要表现在凹模中，在凸模中的变形情况显现不多，随着沿切的压缩，愈向口部延伸则受到的压缩越大，该部分就是进行拉深工艺的主要变形区。（2）拉深过程中变形毛坯各部分的应力和应变状态。金属双极板的拉深工艺中随着物料的变形程度毛坯模具的各部分硬度表现不一，因此各部分在应力和应变状态上处于随时变化的情况，并且随着拉深的不断推进，毛坯的凹模面会随着拉深而不断变化，最后成为筒壁，即使是同一位置的材料也会随着毛坯的伸展发生应力变化。我们将模具的拉伸状况分为五种，首先是主要变形区，它处于磨具平面凸缘部分，这是由于拉深工艺进行时，随着拉深的推进模具在坐标网格上的变化引起的，扇形格子会变成矩形格子，这地方的模具形成筒壁，切向伸缩与景象伸长的变形都是由毛坯模具凸变的增大引起的。第二种是过渡区，体现在模具的凹模圆角处，这是由于毛坯模具在过渡区材料的使用情况变的多元化，不再局限于之前单一的形式，凸缘和筒壁部分出现过度情况。第三是传力区部分，这是由于在过渡区时，毛坯模具的凸缘处材料已经完成转化，经过了塑性变形，凸模已经不能在阻碍它的变化，该地方的应力属于单向拉应力。第四，小变形区，这是在模具的凸模底部体现的，由于我们一直给模具施加压力，让他们的圆筒壁部有所变化，为了始终保持它的平面状态对其两相制定拉应力，由于圆筒底部的变化整体不大，所以它的应力和应变状态可以忽略不计。

3极板流道结构成形有限元模拟

3.1刚模与软模成形方法对比

（1）有限元建模。刚模模和软模在模型塑造中分别采取不同的方式，刚模一般使用传统的刚性凸模，配合凹模形成新的建模方案。而软模采用聚氨酷凸模作为建模的基础。两种方案的建模在材料选取上通常不需要指定，唯一需要注意的就是聚氨软模的建模情况。一般实验过程中的橡胶材料是面对各种同性不可压缩超弹体应变的，数据的计算还涉及函数问题。而如上述所说，对建模划分单元的情况来看，四个单元根据选择的不同确定刚性容框。为了满足大功率的电池制作需要可以开发大面积的金属双极板，做好其中的回弹预测。简化模型的分析规律，为毛坯模具的使用提供了截面参数指导。（2）模拟结果分析。按照之前专家的理论结果，笔者发现刚性模具与软模在成形过程中有明显的不同，刚性和软性建模虽然都有两个形成阶段，但是刚模在压边过程中受到阶段中的凸模与板料的影响，发生微笑的弯曲，在第二阶段后受冲压之力形成拉深的新状态。软性模具在第一阶段必然会变形，随着拉深力度的增加，薄板材料继续变形，到第二阶段，与刚性模具贴合后就停止变形。

3.2金属极板软模成形模拟简化

（1）软模成形模拟特点。软模成形的模拟特点有三，分别是不同类型材料变形的祸合、不同类型单元变形的藕合、复杂的接触摩擦边界条件。首先板材的软模在形成过程中面对的传力介质和板材本身就是不同种类的材料，所以不同类型材料受到拉深工艺变形会产生祸合。其次，板材的软模建模是两种不同类型单元藕合变形的过程。第三，档软模边缘的板材摩擦时，软模成形的边界非线性程度大大提高，这种摩擦有两种不同处理方式，需要借助实验室建立计算模型才能使用。（2）软模成形模拟简化方案。从上面的叙述中我们不难发现，无论是液态还是固态的软模成形问题，都需要有截止作为传导实现祸合或者藕合，但是由于板材本身的成形速度跟不上软模建木速度，会产生静态过程，在此过程的影响下，模具的内外部压力相等，为了缓解这一问题，可以采用均布压力去替代液体加载。不仅如此，对于固态的软模成形方案设计也可以采取这种方式先建立板料的受力模型，帮助对出现的祸合或藕合先实验一下程度。另外，我们对于板料尝试采用壳单元划分网格也能提高模型的计算效率。

4结语

本文对金属双极板冲压过程有限元模拟以及工艺优化进行了分析，通过对双极板中的薄金属极板拉深工艺的分析，验证了冲压过程的优化可行性。

作者：李伟 单位：三亚学院