儲氫合金性能測試儀的結構設計

曹 磊，程宏輝，王 佳，陸華峰，陳 飛，陳德敏，楊 柯

CAO Lei1,CHENG Hong-hui1,WANG Jia1,LU Hua-feng1,CHEN Fei1,CHEN De-min2,YANG Ke2

（1. 揚州大學 機械工程學院，揚州 225127；2. 中國科學院 金屬研究所，沈陽 110016）

0 引言

在儲氫合金的研發(fā)和應用過程中，需要利用儲氫合金性能測試儀完成對其吸放氫PCT曲線、儲氫量、吸氫平臺壓、以及儲氫性能穩(wěn)定性和抗粉化性能等數(shù)據(jù)的測試。如何快速制造測試精度高、工作可靠、結構緊湊和美觀的儲氫合金性能測試儀是人們關心的內容。傳統(tǒng)上基于二維CAD軟件的設計方式由于直觀性較差難以達到上述目標。

本文介紹了儲氫合金性能測試儀的工作原理，利用主流三維CAD軟件SolidWorks對儲氫合金性能測試儀進行三維結構設計，并利用有限元分析軟件ANSYS Workbench對樣品室進行傳熱分析,獲得了樣品室處于極限工作溫度下的穩(wěn)態(tài)溫度場，具有過程省時、直觀性好等優(yōu)點，大大地提高了儲氫合金性能測試儀的開發(fā)效率。

1 測試儀的工作原理

儲氫合金性能測試儀所基于的測試方法有兩種，一種是重量法，一種是容量法。該測試儀采用容量法進行儲氫合金吸放氫性能測試。

容量法測試原理（如圖1所示），可用下面計算公式描述：

圖1 容量法儲氫合金性能測試儀原理圖

其中，n1為閥3打開前儲氣室和樣品室包含的氫氣摩爾量；n2為閥3打開后，樣品吸放氫達到平衡后儲氣室和樣品室包含的氫氣摩爾量；Δn為儲氫合金氫含量的變化，Δn＞0表示儲氫合金處于吸氫狀態(tài)，Δn＜0表示儲氫合金處于放氫狀態(tài)，w表示儲氫百分量，R為氣體常數(shù)；Tsc和Tpc分別為樣品室和儲氣室溫度；P1為閥3打開前測試儀的氣體壓力；P2為閥3打開后，樣品吸放氫達到平衡時測試儀的氣體壓力；Vsc和Vpc分別為樣品室和儲氣室體積；Z (T,P)為不同溫度和壓力下氫氣的壓縮因子，可通過氫氣的維里方程計算獲得；MH為氫氣的摩爾質量；mMe為儲氫合金的質量。以儲氫百分量w為橫坐標，平衡壓為縱坐標作圖得到儲氫合金吸放氫PCT曲線，以儲氫百分量w為橫坐標，時間為縱坐標作圖得到儲氫合金吸放氫動力學曲線。

2 測試儀的三維虛擬設計

現(xiàn)代制造業(yè)中，產(chǎn)品的設計、分析、制造和數(shù)據(jù)管理日趨一體化，傳統(tǒng)的設計模式已經(jīng)不能滿足人們對產(chǎn)品的外觀和性能的預知要求，三維繪圖軟件的應用和推廣使得產(chǎn)品的研發(fā)向著虛擬化方向發(fā)展。SolidWorks是基于Windows環(huán)境下的一款三維造型設計軟件，兼具三維建模與裝配、工程圖繪制、動畫制作和實體渲染等功能，利用其進行虛擬設計可減少物理樣機的反復試驗和修改，縮短開發(fā)周期，減少開發(fā)成本。

儲氫合金性能測試儀包含樣品室、儲氣室、保溫箱、恒溫系統(tǒng)、壓力及溫度測量系統(tǒng)、管路、真空泵、工作架等眾多零部件，很難在設計者腦海中展現(xiàn)測試儀的框架結構。首先采用微軟公司的Visio軟件的工藝工程模塊對整個系統(tǒng)進行布局，獲得二維結構示意圖。根據(jù)二維結構示意圖可對測試儀進行虛擬設計，其設計過程是：首先通過SolidWorks對所使用的關鍵商業(yè)化標準零部件進行三維建模，然后對這些零部件進行虛擬裝配，獲得初步的三維裝配體，然后根據(jù)三維裝配體進行系統(tǒng)中非標零部件的設計，進而獲得更加詳細而具體的三維裝配體，重復上述過程多次，同時又不斷對現(xiàn)有非標零件進行修改，最終獲得儲氫合金性能測試儀的虛擬樣機。圖2所示為采用基于特征的參數(shù)化造型方法設計的實體零部件，其設計步驟與其它CAD軟件大同小異，且現(xiàn)有CAD軟件對零件的設計步驟的定義已經(jīng)非常完善，在此不作詳細討論。

圖2 儲氫合金性能測試儀部分零部件三維造型圖

儲氫合金性能測試儀的零部件主要包括中國國家標準件、美國國家標準件、德國國家標準件、歐洲標準件和自制非標準件，由于其數(shù)量多、規(guī)格門類不一，SolidWorks自帶零件庫已不能滿足設計需求，同時為滿足將來進行后續(xù)設備研發(fā)設計，有必要建立儲氫合金性能測試儀專用零件庫。在SolidWorks中建立零件庫的方法通常有三種：1）系列零件設計表設計法；2）宏創(chuàng)建法；3）外部編程法。后兩種方法操作繁瑣，對語言編程能力要求較高，一般不易掌握。第一種方法是基于系列零件幾何關系不同，而拓撲關系相同的特點，運用Excel表格建立數(shù)據(jù)庫，對零件進行參數(shù)化設計的設計方法，此法方便靈活，便于操作。本測試儀的設計過程中采用系列零件設計表設計法建立了專用零件庫，其中包括APS鋁型材庫、氣體管路零件庫、國標零件庫和自制非標零件庫。以氣體管路零件庫為例，該庫包含接口直徑為1/2英寸、1/4英寸和1/8英寸的各類管道、卡套接頭零部件。

零部件的實體造型完成之后，根據(jù)Visio二維結構示意圖對各零部件進行虛擬裝配。SolidWorks裝配體設計的方法有兩種：自下而上（down-top）設計法和自上而下（top-down）設計法。前者是一種歸納法，需在裝配之前獲得零部件幾何參數(shù)和三維造型，然后通過建立配合關系（如同心、重合、平行、距離等）進行裝配；后者是一種演繹法，需在裝配環(huán)境中完成零部件設計，設計者先在腦海中完成產(chǎn)品的整體構建，再按順序完成下一層零部件的的設計，此法無需添加任何裝配約束。該測試儀包含零部件繁多，裝配過程繁雜，屬于大型產(chǎn)品的大裝配設計，單憑一種裝配方式很難完成，需要綜合以上兩種裝配方式進行設計。裝配設計過程中，以儲氫合金性能測試儀為總裝配體，儲氣室、工作架、保溫箱、恒溫系統(tǒng)等為子裝配體。首先對子裝配體進行裝配設計，依據(jù)實際需要選擇裝配方式，然后在總裝配體環(huán)境中進行二次裝配，并依據(jù)設計要求采取不同的裝配方式。以保溫箱為例，在子裝配過程中采取自上而下法，而在總裝配過程中則采取自下而上法。虛擬裝配完成之后，對裝配體進行干涉檢查和間隙檢查，發(fā)現(xiàn)其中的潛在問題，并對零部件的結構特征進行修改，以滿足可裝配性和可制造性的要求。圖3所示為儲氫合金性能測試儀的總裝配體。

圖3 儲氫合金性能測試儀的總裝配體

儲氫合金性能測試儀的儲氣室對泄漏極為敏感，要求氦檢測泄漏率小于1×10-8std cm3/s，對實際裝配操作提出了非常高的要求，但是由于零件眾多，容易造成誤裝配。虛擬裝配能夠表現(xiàn)真實環(huán)境下的裝配情況，為實際裝配提供指導。為了更好地表達儲氣室中各零部件間的配合關系，本文利用SolidWorks軟件生成了儲氣室的爆炸視圖（如圖4所示），并動畫演示了儲氣室的裝配和拆卸過程。

圖4 儲氣室爆炸視圖

3 樣品室的設計與分析

3.1 樣品室設計

樣品室是儲氫合金性能測試儀的核心部件，整個吸放氫反應過程在此進行。由于氫氣是易燃易爆氣體，且實驗時樣品室最高處于500℃高溫、40MPa高壓環(huán)境下，氣體泄漏易造成實驗失敗和釀成爆炸事故，因此有必要對樣品室進行實時檢漏操作。同時為提高測試效率，本測試儀樣品室采用多路復用結構。為滿足能承受高溫、高壓和高精度測試要求，整個樣品室均采用316L不銹鋼材料，腔體內壁采用超高純電解拋光加工工藝，在樣品室后端設有一檢漏口，檢漏口對著密封墊片，方便進行檢漏操作。樣品通過螺紋連接處放入樣品室。樣品室設有三個單獨的子樣品室（如圖5所示），分別通過美國某公司的QC4型快速接頭連接在一四通氣路上，每個樣品室在實驗時互不影響，可即時插拔，使用方便。

圖5 子樣品室

3.2 樣品室的傳熱分析

樣品室中快速接頭是通過O型圈實現(xiàn)即時密封的，其最高適用溫度為150℃，由于樣品室后端置于500℃恒溫系統(tǒng)中，所產(chǎn)生的熱傳導作用有可能使快速接頭中的O型圈超溫失效，因此有必要對設計的樣品室進行傳熱分析，獲得O型圈的溫度場并判斷是否超出其適用溫度。SolidWorks雖具有強大的三維建模功能，但其有限元分析功能較為薄弱，因此設計人員通常利用它來進行結構設計，然后利用專業(yè)的有限元分析軟件進行結構合理性分析。本文采用ANSYS Workbench有限元軟件對樣品室進行穩(wěn)態(tài)熱分析，其熱分析過程如下：

1）導入裝配體模型：將SolidWorks建立的樣品室裝配體模型導入ANSYS Workbench，各零件接觸域間連接方式定義為綁定（bonded）；

2）定義零件的材料屬性：在Engineering Data中將各零件材料定義為stainless steel，定義其導熱系數(shù)為21.4W/（m ·℃）；

3）劃分網(wǎng)格（mesh）：采用自動劃分網(wǎng)格模式；

4）定義邊界條件：樣品室二分之一以下部分設定溫度為500℃，二分之一以上部分設定為外表面與空氣進行對流換熱的簡單情況；

5）求解樣品室穩(wěn)態(tài)溫度場，得到了樣品室溫度場云圖。

由溫度場云圖看出在樣品室處于最高溫度下工作時，快速接頭的溫度場約在103℃～130℃之間，并未超過150℃。可以判斷樣品室的結構尺寸滿足設計要求，不會產(chǎn)生快速接頭內部O型圈超溫失效的現(xiàn)象。

4 結束語

圖6 樣品室溫度場云圖

采用SolidWorks三維虛擬設計軟件和ANSYS Workbench有限元軟件對儲氫合金性能測試儀進行協(xié)同設計，能夠迅速發(fā)現(xiàn)設計缺陷，及時對測試儀結構進行修改和進一步優(yōu)化，大大降低了設備開發(fā)風險和開發(fā)成本。這種設計方式值得在材料性能測試設備研發(fā)領域進行推廣。依據(jù)該設計結果研制的儲氫合金性能測試儀已被所在單位投入使用，具有測試精度高、結構緊湊、操作方便、故障率低等特點。

[1] 曹巖,趙汝嘉. SolidWorks 2007 精通篇 [M].北京： 化學工業(yè)出版社,2008.

[2] 周長城,薛文星,胡仁喜. SolidWorks 2010中文版從入門到精通 [M].北京： 機械工業(yè)工業(yè)出版社,2010.

[3] 浦廣益. ANSYS Workbench 12基礎教程與實例詳解 [M].北京： 中國水利水電出版社,2010.

[4] 王玉新,邰曉梅,姜杉. 三維虛擬設計環(huán)境下的機械產(chǎn)品概念設計[J]. 中國機械工程,2001,12(3)：256-259.

[5] 楊國新,王定標. 基于 SolidWorks 的機械零部件虛擬裝配體設計技術[J]. 煤礦機械,2007,28(7)：75-77.

[6] 程宏輝,陳德敏,楊柯. 新型貯氫材料性能測試裝置及其應用[J]. 稀有金屬材料與工程,2007,36(1)：78-81.

[7] Cheng H H,Deng X X,Li S L et al. Design of PC based high pressure hydrogen absorption/desorption apparatus[J].International Journal of Hydrogen Energy,2007,32(14)：3046-3053.