基于有限元的平压装置分析及优化.pdf

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1、试验研究现代制造工程(ModemManufacturingEngineering)2013年第2期基于有限元的平压装置分析及优化+苏刚1，陈建魁1’2，尹周平1，徐洲龙1(1华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室，武汉430074；2华中科技大学控制科学与工程系，武汉430074)摘要：为满足燃料电池膜电极等柔性电子器件的生产工况，对一种精密平压装置进行了建模和有限元分析，提出了优化模型。首先，对装置模型进行静力学分析，根据变形和应力分布情况，提出零／部件形状和尺寸优化的目标。其次，通过对部分组

2、件的形状优化分析，获知其形状的优化趋势。再次，对装置模型进行模态分析，结果表明，装置的1阶固有频率较低，确定了对装置模态影响较大的组件。最后，设计了一种整体结构的优化方案，该方案在满足燃料电池膜电极生产工况要求的同时，使平压装置减重达10％，1阶固有频率提高约9％。关键词：平压装置；燃料电池膜电极；静力分析；模态分析；优化设计中图分类号：THl22文献标志码：A文章编号：1671—3133(2013)02—0001—_05Analysisandoptimizationofplatendevicebas

3、edonfiniteelementmethodSuGang1，ChenJiankui1,2，YinZhouping1，XuZhoulong1(1StateKeyLaboratoryofDigitMManufacturingEquipmentandTechnology，HuazhongUniversityofScience&Technology，Wuhan430074，China；2DepartmentofControlScience&Engineering，HuazhongUniversityofSc

4、ience&Technology，Wuhan430074，China)Abstract：Basedontherequirementsoftheoperationconditionoffuelcellmembraneelectrodeassembly，apreciseplatendeviceisdesignedandfinite—elementanalyzed，andtheoptimizedmodelisproposed．Thestaticsanalysisofthemodeliscomputedand

5、thestressanddeformationdistributionofthewholeplatendeviceisobtained．Theresultsshowthepotentialforlightweightdesignthroughstructureconfigurationmodificationandoptimization．Ashapeoptimizationanalysisisconductedtofindthewaytoopti-mizetheshapeofthecomponent

6、s．Dataofthemodalanalysisdemonstratethatthefundamentalfrequencyoftheplatendevieeislower．Finally，thelightweightschemeisproposedandimplemented，andresetsshowthattheoptimizedplatendevicenotonlymeetsthedemandoftheMembraneElectrodeAssembly(MEA)producingprocess

7、，butalsomakestheweightreduceby10％andthefundamentalfrequencyincreaseby9％．Keywords：platendevice；MembraneElectrodeAssembly(MEA)；staticsanalysis；modalanalysis；optimizationdesign0引言目前常见的平压装置主要以冲压机和平压机为主，被广泛应用于冲压、金属成形和人造板材等生产制造领域。在传统平压装置的设计中，主要考虑机械传动方式、压力的产生方

8、式和连续化生产等方面¨引。在燃料电池膜电极(MembraneElectrodeAssem-bly，MEA)自动化生产制造设备中，平压装置作为其关键部件之一，被用于气体扩散层(GasDiffusionLayer，GDL)和涂有催化剂的质子交换膜层(CatalystCoated+国家科技支撑计划项目(2009BAF40804)Membrane，CCM)之间的压合。燃料电池膜电极结构示意图如图1所示。为了利于质子和电子的传递，必须保证GDL与CCM之间的良好接