金屬雙極板沖壓過程有限元模擬及工藝優(yōu)化

李 偉

（三亞學(xué)院，海南 三亞 572000）

1 金屬雙極板研究進(jìn)展

（1）金屬極板沖壓成形基礎(chǔ)工藝研究進(jìn)展。雙極板是質(zhì)子交換膜燃料電池的重要零件，它的好壞程度直接影響電池的性能，也影響電池制作的成本。采用沖壓工藝制作的金屬雙極板能提高電池的比功率，并且這樣形成的電池具有功率密度高且污染力度小的優(yōu)點(diǎn)，幫助制造商減低部分生產(chǎn)成本，是目前很有發(fā)展前景的動(dòng)力電源，有很高的市場前景。

（2）金屬極板沖壓成形工藝研究進(jìn)展。成形工藝的研究屬于微成形技術(shù)范疇，其中的變形區(qū)域不想對其他方面偏大，且變形的情況多具體在細(xì)節(jié)上，數(shù)目很小，在對其進(jìn)行有限元模擬時(shí)必須使用大量的網(wǎng)絡(luò)，成本略高。國內(nèi)對金屬基板沖壓成形工藝的研究大約有以下幾種，首先李茂春老師在自己的著作中分析了簡易流場板模型的模擬結(jié)果，對板料在沖壓過程中的可變性進(jìn)行了分析；其次，彭林發(fā)老師對微細(xì)成型工藝中的材料尺度效應(yīng)建立了新的模型，對雙極板中薄板的仿真指導(dǎo)有重大理論意義。盡管這些理論對我們建造金屬雙極板有較大的功用，但是對成型工藝來說還不夠嚴(yán)謹(jǐn)，尤其在成形工藝的參數(shù)對比和模具分析上還有很多碎片化的細(xì)節(jié)需要進(jìn)一步考究[1]。

2 金屬極板成形工藝

上述中已經(jīng)分析了成形工藝的重點(diǎn)——拉深工藝，通過拉深工藝我們可以為自己制得所需要的形狀，為實(shí)際極板的制作提供各種形狀的零部件，如果將拉深結(jié)構(gòu)與其他類似工藝相重合使用，就能制作出復(fù)雜的元件。

（1）拉深變形過程及特點(diǎn)。拉深是一種通過已制成的空間建加工成其他行程的沖壓加工方法，為雙極板的制作提供各種形狀的原件，當(dāng)平板毛坯受外力變成一杯形件時(shí)，隨著它凸模的下行，使毛坯半徑不斷減小，圓形毛坯漸漸形成直壁，處于凸模下方的材料則成為拉深工藝的第五，當(dāng)板料進(jìn)入模間，原本平板的毛坯就有形成一定的直徑和高度。如果在這個(gè)過程中去們?nèi)サ敉鼓Ｖ械年幱安糠郑咽Ｓ嗟牟糠盅刂睆秸酆掀饋?，輔以焊接技術(shù)就能為整個(gè)模具去除雜亂部分，但是雜亂材料不可能完全剔除，所以我們一般認(rèn)為雜亂的材料再毛坯模具的作用下產(chǎn)生了流動(dòng)。如果像了解流動(dòng)狀況可以采用坐標(biāo)網(wǎng)格實(shí)驗(yàn)，在毛坯模具前畫一些等距離的同心圓輻射線。綜上，我們得出解困處于毛坯凸模低下的物料在實(shí)際拉深工藝中的變化并不算大，并且變形主要表現(xiàn)在凹模中，在凸模中的變形情況顯現(xiàn)不多，隨著沿切的壓縮，愈向口部延伸則受到的壓縮越大，該部分就是進(jìn)行拉深工藝的主要變形區(qū)。

（2）拉深過程中變形毛坯各部分的應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)。金屬雙極板的拉深工藝中隨著物料的變形程度毛坯模具的各部分硬度表現(xiàn)不一，因此各部分在應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)上處于隨時(shí)變化的情況，并且隨著拉深的不斷推進(jìn)，毛坯的凹模面會(huì)隨著拉深而不斷變化，最后成為筒壁，即使是同一位置的材料也會(huì)隨著毛坯的伸展發(fā)生應(yīng)力變化。我們將模具的拉伸狀況分為五種，首先是主要變形區(qū)，它處于磨具平面凸緣部分，這是由于拉深工藝進(jìn)行時(shí)，隨著拉深的推進(jìn)模具在坐標(biāo)網(wǎng)格上的變化引起的，扇形格子會(huì)變成矩形格子，這地方的模具形成筒壁，切向伸縮與景象伸長的變形都是由毛坯模具凸變的增大引起的。第二種是過渡區(qū)，體現(xiàn)在模具的凹模圓角處，這是由于毛坯模具在過渡區(qū)材料的使用情況變的多元化，不再局限于之前單一的形式，凸緣和筒壁部分出現(xiàn)過度情況。第三是傳力區(qū)部分，這是由于在過渡區(qū)時(shí)，毛坯模具的凸緣處材料已經(jīng)完成轉(zhuǎn)化，經(jīng)過了塑性變形，凸模已經(jīng)不能在阻礙它的變化，該地方的應(yīng)力屬于單向拉應(yīng)力。第四，小變形區(qū)，這是在模具的凸模底部體現(xiàn)的，由于我們一直給模具施加壓力，讓他們的圓筒壁部有所變化，為了始終保持它的平面狀態(tài)對其兩相制定拉應(yīng)力，由于圓筒底部的變化整體不大，所以它的應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)可以忽略不計(jì)。

3 極板流道結(jié)構(gòu)成形有限元模擬

3.1 剛模與軟模成形方法對比

（1）有限元建模。剛模模和軟模在模型塑造中分別采取不同的方式，剛模一般使用傳統(tǒng)的剛性凸模，配合凹模形成新的建模方案。而軟模采用聚氨酷凸模作為建模的基礎(chǔ)。兩種方案的建模在材料選取上通常不需要指定，唯一需要注意的就是聚氨軟模的建模情況。一般實(shí)驗(yàn)過程中的橡膠材料是面對各種同性不可壓縮超彈體應(yīng)變的，數(shù)據(jù)的計(jì)算還涉及函數(shù)問題。而如上述所說，對建模劃分單元的情況來看，四個(gè)單元根據(jù)選擇的不同確定剛性容框。為了滿足大功率的電池制作需要可以開發(fā)大面積的金屬雙極板，做好其中的回彈預(yù)測。簡化模型的分析規(guī)律，為毛坯模具的使用提供了截面參數(shù)指導(dǎo)。

（2）模擬結(jié)果分析。按照之前專家的理論結(jié)果，筆者發(fā)現(xiàn)剛性模具與軟模在成形過程中有明顯的不同，剛性和軟性建模雖然都有兩個(gè)形成階段，但是剛模在壓邊過程中受到階段中的凸模與板料的影響，發(fā)生微笑的彎曲，在第二階段后受沖壓之力形成拉深的新狀態(tài)。軟性模具在第一階段必然會(huì)變形，隨著拉深力度的增加，薄板材料繼續(xù)變形，到第二階段，與剛性模具貼合后就停止變形。

3.2 金屬極板軟模成形模擬簡化

（1）軟模成形模擬特點(diǎn)。軟模成形的模擬特點(diǎn)有三，分別是不同類型材料變形的禍合、不同類型單元變形的藕合、復(fù)雜的接觸摩擦邊界條件。首先板材的軟模在形成過程中面對的傳力介質(zhì)和板材本身就是不同種類的材料，所以不同類型材料受到拉深工藝變形會(huì)產(chǎn)生禍合。其次，板材的軟模建模是兩種不同類型單元藕合變形的過程。第三，檔軟模邊緣的板材摩擦?xí)r，軟模成形的邊界非線性程度大大提高，這種摩擦有兩種不同處理方式，需要借助實(shí)驗(yàn)室建立計(jì)算模型才能使用。

（2）軟模成形模擬簡化方案。從上面的敘述中我們不難發(fā)現(xiàn)，無論是液態(tài)還是固態(tài)的軟模成形問題，都需要有截止作為傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)禍合或者藕合，但是由于板材本身的成形速度跟不上軟模建木速度，會(huì)產(chǎn)生靜態(tài)過程，在此過程的影響下，模具的內(nèi)外部壓力相等，為了緩解這一問題，可以采用均布壓力去替代液體加載。不僅如此，對于固態(tài)的軟模成形方案設(shè)計(jì)也可以采取這種方式先建立板料的受力模型，幫助對出現(xiàn)的禍合或藕合先實(shí)驗(yàn)一下程度。另外，我們對于板料嘗試采用殼單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格也能提高模型的計(jì)算效率。

4 結(jié)語

本文對金屬雙極板沖壓過程有限元模擬以及工藝優(yōu)化進(jìn)行了分析，通過對雙極板中的薄金屬極板拉深工藝的分析，驗(yàn)證了沖壓過程的優(yōu)化可行性。