论文总字数：17847字

摘 要

板材液压成形是近几十年来发展迅速的一种先进的加工工艺，随着汽车与航空制造技术的飞速发展，板材零件呈现出微细结构、薄壁以及复杂曲面的特征，并且壁厚越来越小，材料的塑性和流动性越来越差。使用传统的成形工艺已经捉襟见肘，而使用液压成形工艺来制造板类零件却迎来了机遇。与传统的工艺相比，液压成形技术的优点是成形极限高、成形精度高、模具成本低、过程可控性高，在解决尺寸精度要求高、复杂型面以及薄壁件的制造难题时展现出巨大的潜力。

燃料电池金属双极板的毛坯为进行表面改性处理的薄金属板（0.1mm），具有微细的流道结构，曲面形状复杂、尺度微小、板厚很薄，因此适合采用液压成形技术。目前各燃料电池厂商还是采用传统的冲压成形技术，分别使用上、下刚性或软性模具冲压，模具费用多，生产成本高。基于现状，本文提出一种燃料电池金属双极板液压成形的新工艺，对液压成形过程进行了深入的有限元分析，并对不同液压力下的成形结果作了比较，所得结果对于燃料电池金属双极板的成形具有重要的指导意义。

论文主要研究了金属双极板的液压成形过程，设计液压成形方案，使用专业CAD软件建立模具结构，借助Dynaform有限元分析软件对液压工艺过程进行有限元分析，对比了不同最大液压力下板料的成形结果，分析板料厚度变化，以及板料的起皱、破裂情况，得出最佳液压力数值，为复杂曲面板料液压成形的研究提供了一种实用的分析方法。

研究结果表明：在有限元模拟中，成形得到的零件表面均匀光滑，厚度变化合理，板料无任何起皱和破裂，使用液压成形技术成形燃料电池金属双极板是可行的。

本文的特色：采用新工艺，即液压成形技术制造燃料电池金属双极板。

关键词：液压成形；燃料电池金属双极板；薄板成形；有限元分析

Abstract

Sheet metal hydroforming is advanced processing technology that has developed rapidly in recent decades. With the rapid development of automobile and aviation manufacturing technology, the plate parts show the characteristics of fine structure, thin wall and complex curved surface, and the wall thickness is getting smaller and smaller, and the plastic and fluidity of the material is getting worse and worse. It is difficult to use the traditional forming process, but the opportunity to use the hydroforming process to manufacture plate parts has come. Compared with the traditional process, the hydraulic forming technology has the advantages of high forming limit, high forming precision, one-time drawing forming, low mold cost and high process controllability. It shows great potential in solving the manufacturing problems of high dimensional accuracy, complex surface and thin wall parts.

The blank of the metallic bipolar plate of fuel cell is a thin metal sheet (0.1mm) with surface modification. It has a micro flow channel structure, complicated curved surface shape, micro size and thin plate thickness. Therefore, it is suitable for hydroforming technology. At present, the fuel cell manufacturers still use the traditional stamping forming technology, respectively using upper, lower rigid or soft die stamping. Therefore the die costs more, and the cost of production is high. Based on the current situation, this paper proposes a new process of hydroforming of fuel cell metallic bipolar plate, and conducts an in-depth finite element analysis of the hydroforming process, making a comparison of the forming results under different liquid pressure. The results have important guiding significance for the forming of fuel cell metallic bipolar plate.

The thesis mainly studed the hydroforming process of metallic bipolar plate, designed the program of the hydraulic molding. The die structure was established by professional CAD software, and the hydraulic process was analyzed by Dynaform finite element analysis software. The forming results of sheet metal under different maximum liquid pressures were compared, and the thickness changes of sheet metal, as well as the wrinkling and cracking of sheet metal were analyzed. It is concluded that the best numerical fluid pressure, providing a practical analysis method for complex curved surface sheet hydroforming research.

The results show that: in the finite element simulation, the formed parts have smooth surface, the thickness is reasonable, and the sheet does not have any tendency to wrinkle and fracture, so it is feasible to use the hydroforming technology to shape the fuel cell metallic bipolar plate.

The characteristics of this paper: using a new process, that is, hydroforming technology to manufacture fuel cell metallic bipolar plate

Key Words：hydroforming；fuel cell metallic bipolar plate；sheet forming；finite element simulation

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 液压成形的原理、分类 1

1.3 液压成形的应用范围和适应材料 2

1.4 国内外液压成形研究及应用情况 2

1.5 双极板的功能和要求 4

1.6 研究的意义及主要内容 4

第2章 金属双极板液压成形工艺设计 5

2.1 金属双极板材料 5

2.2 金属双极板流道设计 5

2.2.1 流道结构 5

2.2.2 流道尺寸 6

2.3 液压成形类型选择 7

2.4 不同液压力对成形的影响 7

2.5 本章小结 8

第3章 金属双极板液压成形数值模拟 9

3.1 国内外液压成形数值模拟现状 9

3.2 有限元软件的选择 9

3.3 有限元分析步骤 10

3.4模型的建立 10

3.4.1 UG实体模型的建立 10

3.4.2 UG片体模型的建立 11

3.5 网格划分 12

3.5.1 板料网格划分 12

3.5.2 凹模网格划分 13

3.5.3 压边圈网格划分 14

3.6 液压局部加载 14

3.7 本章小结 15

第4章 有限元模拟结果与分析 16

4.1 观察零件变形 16

4.2 成形极限图及厚度分布云图 16

4.3 应力应变图 17

4.3 液压力对成形的影响 19

4.4 本章小结 20

第5章 总结与展望 21

5.1 总结 21

5.2 展望 22

参考文献 22

致 谢 23

第1章 绪论

1.1 引言

当前能源危机和环境污染的形势严峻，世界各国车企都投入了大量的人力物力对新能源汽车进行研发，使用更环保能源驱动汽车逐渐成为趋势，其中燃料电池成为研究者们眼中可以颠覆汽车行业的发展方向。在各种燃料电池中，质子交换膜燃料电池(PEMFC)综合性能最为突出，其优点是大电流放电性能优异，世界各国的学者纷纷对其展开深入研究。PEMFC由于其高比功率输出性能，在新能源汽车领域用途广泛^[3]。

双极板是质子交换膜燃料电池的重要部件，其成本在整个燃料电池中占比很高，双极板造价多少将直接影响电池的性价比。其中，金属材料双极板很好的满足成本上的要求，且具有良好的导热和导电性，加上其阻气性好、强度高的优点，在双极板制造领域广受欢迎。目前世界上一些知名的燃料电池汽车厂商，如丰田汽车、本田汽车等，均采用金属坯料来作为双极板的制造材料。因此，燃料电池新能源汽车要发展，必须要制造出高性能的金属材料双极板。

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