金屬雙極板沖壓過程有限元模擬及工藝優化

李 偉

（三亞學院，海南 三亞 572000）

1 金屬雙極板研究進展

（1）金屬極板沖壓成形基礎工藝研究進展。雙極板是質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點，幫助制造商減低部分生產成本，是目前很有發展前景的動力電源，有很高的市場前景。

（2）金屬極板沖壓成形工藝研究進展。成形工藝的研究屬于微成形技術范疇，其中的變形區域不想對其他方面偏大，且變形的情況多具體在細節上，數目很小，在對其進行有限元模擬時必須使用大量的網絡，成本略高。國內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果，對板料在沖壓過程中的可變性進行了分析；其次，彭林發老師對微細成型工藝中的材料尺度效應建立了新的模型，對雙極板中薄板的仿真指導有重大理論意義。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謹，尤其在成形工藝的參數對比和模具分析上還有很多碎片化的細節需要進一步考究[1]。

2 金屬極板成形工藝

上述中已經分析了成形工藝的重點——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，為實際極板的制作提供各種形狀的零部件，如果將拉深結構與其他類似工藝相重合使用，就能制作出復雜的元件。

（1）拉深變形過程及特點。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，當平板毛坯受外力變成一杯形件時，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，當板料進入模間，原本平板的毛坯就有形成一定的直徑和高度。如果在這個過程中去們去掉凸模中的陰影部分，把剩余的部分沿著直徑折合起來，輔以焊接技術就能為整個模具去除雜亂部分，但是雜亂材料不可能完全剔除，所以我們一般認為雜亂的材料再毛坯模具的作用下產生了流動。如果像了解流動狀況可以采用坐標網格實驗，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際拉深工藝中的變化并不算大，并且變形主要表現在凹模中，在凸模中的變形情況顯現不多，隨著沿切的壓縮，愈向口部延伸則受到的壓縮越大，該部分就是進行拉深工藝的主要變形區。

（2）拉深過程中變形毛坯各部分的應力和應變狀態。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不一，因此各部分在應力和應變狀態上處于隨時變化的情況，并且隨著拉深的不斷推進，毛坯的凹模面會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隨著毛坯的伸展發生應力變化。我們將模具的拉伸狀況分為五種，首先是主要變形區，它處于磨具平面凸緣部分，這是由于拉深工藝進行時，隨著拉深的推進模具在坐標網格上的變化引起的，扇形格子會變成矩形格子，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，體現在模具的凹模圓角處，這是由于毛坯模具在過渡區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過度情況。第三是傳力區部分，這是由于在過渡區時，毛坯模具的凸緣處材料已經完成轉化，經過了塑性變形，凸模已經不能在阻礙它的變化，該地方的應力屬于單向拉應力。第四，小變形區，這是在模具的凸模底部體現的，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對其兩相制定拉應力，由于圓筒底部的變化整體不大，所以它的應力和應變狀態可以忽略不計。

3 極板流道結構成形有限元模擬

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。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。一般實驗過程中的橡膠材料是面對各種同性不可壓縮超彈體應變的，數據的計算還涉及函數問題。而如上述所說，對建模劃分單元的情況來看，四個單元根據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大面積的金屬雙極板，做好其中的回彈預測。簡化模型的分析規律，為毛坯模具的使用提供了截面參數指導。

（2）模擬結果分析。按照之前專家的理論結果，筆者發現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。軟性模具在第一階段必然會變形，隨著拉深力度的增加，薄板材料繼續變形，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。軟模成形的模擬特點有三，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產生禍合。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時，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，需要借助實驗室建立計算模型才能使用。

（2）軟模成形模擬簡化方案。從上面的敘述中我們不難發現，無論是液態還是固態的軟模成形問題，都需要有截止作為傳導實現禍合或者藕合，但是由于板材本身的成形速度跟不上軟模建木速度，會產生靜態過程，在此過程的影響下，模具的內外部壓力相等，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，對于固態的軟模成形方案設計也可以采取這種方式先建立板料的受力模型，幫助對出現的禍合或藕合先實驗一下程度。另外，我們對于板料嘗試采用殼單元劃分網格也能提高模型的計算效率。

4 結語

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