呂曉芳，李細(xì)鋒，陳 軍

（上海交通大學(xué)塑性成形技術(shù)與裝備研究院，上海200030）

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能源裝備用薄壁鈑金構(gòu)件的成形技術(shù)

呂曉芳，李細(xì)鋒，陳 軍

（上海交通大學(xué)塑性成形技術(shù)與裝備研究院，上海200030）

摘 要：薄壁鈑金構(gòu)件是機(jī)械裝備的重要外觀和結(jié)構(gòu)件。結(jié)合現(xiàn)有的鈑金零件生產(chǎn)技術(shù)與裝備，概述了能源行業(yè)用鈑金零部件的成形技術(shù)現(xiàn)狀。重點(diǎn)介紹了燃料電池（PEMFC）雙極板凹凸?fàn)盍鞯莱尚渭夹g(shù)、核燃料定位格架條帶的沖切彎曲成形技術(shù)和太陽(yáng)能電池基板軋制成形技術(shù)的研究現(xiàn)狀。運(yùn)用ABAQUS/Explicit軟件，通過(guò)編寫VUMAT用戶材料子程序引入材料模型、各向異性屈服準(zhǔn)則和韌性斷裂準(zhǔn)則，建立了一種鎳合金核燃料格架條帶沖裁成形的三維數(shù)值仿真模型。沖裁斷口質(zhì)量的仿真結(jié)果與試驗(yàn)獲得的光亮帶和斷裂帶的比例分布吻合較好。通過(guò)ABAQUS子程序二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了歷史變形損傷殘余由實(shí)體單元到殼單元的映射，應(yīng)用于后續(xù)彎曲成形仿真，并與試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比，驗(yàn)證了損傷映射的必要性和準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：能源行業(yè)；鈑金構(gòu)件；數(shù)值仿真；場(chǎng)變量；映射

第一作者：呂曉芳，女，1991年生，碩士研究生

1 前 言

進(jìn)入21世紀(jì)，全球環(huán)境污染日益嚴(yán)重，化石能源日漸枯竭。新能源的開發(fā)引起了各國(guó)政府和研究機(jī)構(gòu)的重視，新能源產(chǎn)業(yè)成為衡量一個(gè)國(guó)家和地區(qū)高新技術(shù)發(fā)展水平的重要依據(jù)，也是新一輪國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。國(guó)內(nèi)新能源行業(yè)的發(fā)展技術(shù)水平和生產(chǎn)能力與國(guó)外先進(jìn)水平差距較大，技術(shù)和設(shè)備生產(chǎn)多依賴進(jìn)口，生產(chǎn)制造的高成本限制了新能源大規(guī)模的推廣應(yīng)用。

先進(jìn)材料的薄壁鈑金構(gòu)件具有重量輕、強(qiáng)度高、導(dǎo)電性能好等特點(diǎn)，在各個(gè)行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。在能源行業(yè)用零部件中，鈑金件的成本占據(jù)了很大比重，成為影響能源組件性能和成本的重要組成部分。隨著能源行業(yè)的發(fā)展和產(chǎn)品需求的不斷變化，要求在薄板構(gòu)件塑性成形技術(shù)領(lǐng)域不斷探索新材料、新工藝和新設(shè)備，縮短產(chǎn)品制造周期，實(shí)現(xiàn)高效、快速、柔性和精確成形。因而，使得液壓成形、溫?zé)岢尚?、超塑性成形、噴丸成形和漸進(jìn)成形等先進(jìn)鈑金成形技術(shù)得到了快速發(fā)展和應(yīng)用。

2 能源裝備用鈑金件成形技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 燃料電池雙極板

氫能是一種綠色二次能源，具有熱值高、無(wú)污染和來(lái)源豐富等優(yōu)點(diǎn)，被視為“后石油時(shí)代”的能源解決方案之一。燃料電池是目前氫能最理想的轉(zhuǎn)化裝置，已應(yīng)用于汽車、船舶和發(fā)電站等多個(gè)領(lǐng)域。

20世紀(jì) 80年代以來(lái)，質(zhì)子交換膜型燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）引起了國(guó)內(nèi)廣泛的研究，作為PEMFC關(guān)鍵部件之一的雙極板，占據(jù)了整個(gè)燃料電池堆總質(zhì)量的60%～80%和電堆成本的30%～45%，成為制約燃料電池應(yīng)用的瓶頸［1］。一種典型的燃料電池金屬雙極板流道結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個(gè)雙極板變形區(qū)域大，變形細(xì)節(jié)相對(duì)很小且數(shù)量多，屬于微成形技術(shù)范疇。雙極板的制造技術(shù)成為提高電池壽命和降低電池成本的關(guān)鍵技術(shù)之一。

圖1 燃料電池金屬雙極板流道結(jié)構(gòu)Fig.1 Channel structure of PEMFC bipolar plate

與石墨雙極板和復(fù)合材料雙極板等相比，金屬雙極板具有良好的機(jī)械性能、導(dǎo)電性能和易加工的特性，其成形工藝的研究開發(fā)吸引了國(guó)內(nèi)外的學(xué)者。相對(duì)于機(jī)加工，沖壓工藝是一種適合大批量生產(chǎn)的加工方法，對(duì)于節(jié)約成本和減輕重量具有顯著優(yōu)勢(shì)，但在成形過(guò)程中容易出現(xiàn)起皺和拉裂等缺陷。李思等［2］選用304不銹鋼為原材料，利用Dynaform軟件研究了沖模速度對(duì)雙極板沖壓成形性能的影響，隨沖壓速度增大，沖壓件的最薄處厚度減小，且減薄速率呈現(xiàn)一定的規(guī)律，可根據(jù)減薄速率分析出最適合的沖壓速度。倪軍等［3］開發(fā)了一種基于輥壓成形的質(zhì)子交換膜燃料電池金屬雙極板制造方法，有效降低了金屬雙極板的生產(chǎn)成本和傳統(tǒng)沖壓工藝中由于定位而造成的制造誤差。圖2為雙極板輥壓成形總體布局圖，整個(gè)生產(chǎn)線分為兩個(gè)階段，第一階段為單極板輥壓工序，采用單極板輥壓輥?zhàn)訉?duì)上下兩個(gè)工位同時(shí)進(jìn)行兩個(gè)單極板的極板輥壓，一個(gè)工位上的單極板輥壓工序如圖3a所示。根據(jù)構(gòu)形設(shè)計(jì)，單極板輥壓輥?zhàn)訉?duì)的圓周表面輪廓由雙極板的流場(chǎng)的流道形狀映射生成，且一個(gè)圓周上分布若干個(gè)極板反應(yīng)流場(chǎng)。每個(gè)工位上的輥?zhàn)訉?duì)共軛，上下工位的輥?zhàn)訉?duì)采用互逆布置，即凸凹模上下位置相反。第二階段包括雙極板輥壓連接工序及后續(xù)的雙極板整形和剪切沖裁。雙極板的輥壓連接工序如圖3b所示，上下兩個(gè)對(duì)稱的連接輥?zhàn)由嫌型蛊鹌脚_(tái)，凸起平臺(tái)頂部設(shè)置有微型連接凸點(diǎn)和凹槽，通過(guò)微型連接凸點(diǎn)的冷擠壓迫使金屬材料在凹槽兩側(cè)內(nèi)流動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)兩塊單極板的連接。之后采用整形輥?zhàn)訉?duì)進(jìn)行雙極板整形，最后完成剪切沖裁。Muammer Koc［4］開發(fā)的液壓脹形與壓力焊工藝實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)工步上完成雙極板的液壓脹形和焊接成形。Masanori Yokoyama等［5］研發(fā)的鎳基金屬玻璃熱壓鑄成形工藝和Shuo-Jen Lee研究的金屬雙極板電化學(xué)刻蝕成形［6］等雙極板成形技術(shù)也取得了一定的進(jìn)展。

圖2 雙極板輥壓成形總體布局圖［3］:①開卷機(jī)，②單極板輥壓，③雙極板連接，④雙極板整形，⑤剪切沖裁Fig.2 Schematic diagram of entire allocation of bipolar plate roll forming:① uncoiler，② single plate rolling，③ bipolar plate rolling，④bipolar plate shaping，⑤shear blanking

圖3 單極板輥壓工序（a）和雙極板輥壓連接工序（b）示意圖［3］:⑥單極板輥壓凸模，⑦輥壓溝脊，⑧金屬薄板材料，⑨輥壓凹槽，⑩單極板輥壓凹模，?、?凸起平臺(tái)，?微型連接凹槽，?微型連接凸點(diǎn)Fig.3 Schematic diagrams of rolling process of single plate（a）and rolling connection process of bipolar plate（b）［3］:⑥r(nóng)olling punch，⑦rolling groove ridge，⑧sheet metal，⑨rolling groove，⑩rolling die，? and? raised platform，?micro connection groove，?micro connection emboss

利用沖壓方法制造薄金屬雙極板具有易加工、零件力學(xué)性能好等特點(diǎn)，但存在耐腐蝕性差等明顯的缺點(diǎn)，制約著燃料電池的使用壽命。為提高雙極板的耐腐蝕性能，金屬的選材和表面處理或表面改性技術(shù)就成為關(guān)鍵技術(shù)之一。早期使用的金屬雙極板是鍍金的鈦板和鈮板，國(guó)內(nèi)外許多研究單位在這方面開展了諸多研究，使選材趨于多樣化，目前主要有鐵基金屬雙極板、鎳基金屬雙極板和輕金屬雙極板等，且以不銹鋼為主的鐵基合金具有較為明顯的優(yōu)勢(shì)［7］。

2.2 壓水堆核燃料定位格架

壓水堆是一種首先應(yīng)用于研究的核動(dòng)力堆，其設(shè)計(jì)緊湊，安全性好，世界各國(guó)核電站大都采用這種反應(yīng)堆型。核燃料棒定位格架是壓水堆燃料組件中的關(guān)鍵部件之一，在反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)，格架一方面起到定位和固定支撐的作用，維持合理的燃料棒間距，為冷卻劑提供合適的棒束流道，另一方面通過(guò)攪拌翼對(duì)流體的攪渾作用提高燃料組件的臨界熱流密度，對(duì)組件熱工水力學(xué)性能具有直接影響。核燃料堆任何新型組件的研制或重大改進(jìn)都是從定位格架開始，其設(shè)計(jì)和制造技術(shù)要求均很嚴(yán)格。長(zhǎng)期以來(lái)，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造工藝難度大，定位格架條帶、彈簧的采購(gòu)一直依賴進(jìn)口成品零件。在選材方面，早期標(biāo)準(zhǔn)燃料組件格架多選用高溫鎳基合金，如Inconel 718或Inconel 625等，但由于鎳基合金中子吸收截面大，會(huì)造成無(wú)益的中子損失，工程中開始使用鋯合金格架，包括全鋯格架、鋯合金和鎳合金相結(jié)合的雙金屬格架［8］。

國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)大多論述格架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化和格架組件熱工水力分析方法的研究，對(duì)于核燃料格架制造技術(shù)的研究卻鮮有文獻(xiàn)發(fā)表。宜賓核燃料元件廠20世紀(jì)80年代成功制造出我國(guó)第一代核電站用鎳合金定位格架，但在標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、自動(dòng)化和生產(chǎn)效率上還存在較多問(wèn)題，后來(lái)又對(duì)定位格架Inconel 718雙彈簧成形工藝及模具進(jìn)行了研制，采用設(shè)計(jì)的雙彈簧斜楔滑塊打彎成形級(jí)進(jìn)模，制造出了符合技術(shù)要求的雙彈簧［9］。法國(guó)馬通AFA 3G組件格架是一種典型的格架結(jié)構(gòu)，由條帶、圍板和彈簧3種零件構(gòu)成，近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)在AFA 3G組件格架條帶和彈簧沖制技術(shù)研究方面取得了一定進(jìn)展。宜賓核燃料元件廠在條帶沖制的模具研究方面積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，基本具備了國(guó)產(chǎn)化研究條件，葉遠(yuǎn)東［10］針對(duì)AFA 3G定位格架內(nèi)外條帶及彈簧的結(jié)構(gòu)和制造難點(diǎn)進(jìn)行了分析，制訂了研制方案；葉遠(yuǎn)東、鐘鳴等［11］針對(duì)AFA 3G組件格架條帶、雙彈簧的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一系列沖壓工藝試驗(yàn)及相關(guān)試驗(yàn)，制訂了彈簧級(jí)進(jìn)模沖制工藝方案。陳杰、雷濤等［12］在專利中公開了一種具有防勾掛以及交混作用的定位格架，與傳統(tǒng)的AFA 3G定位格架相比，外條帶采用連續(xù)布置的上部導(dǎo)向翼，防鉤掛性能得到增強(qiáng)，開孔的導(dǎo)向翼增強(qiáng)了相鄰燃料組件之間的橫向交混性能，減小了局部壓力損失，提高了熱工安全裕能。通過(guò)三維模擬以及試驗(yàn)驗(yàn)證表明，限制外圍燃料棒位移和在外條帶上部設(shè)置連續(xù)導(dǎo)向翼機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路能夠有效降低格架的勾掛風(fēng)險(xiǎn)。

張家驊等［13］設(shè)計(jì)的六點(diǎn)支撐15×15排列彈簧定位格架，采用兩點(diǎn)彈性支撐和四點(diǎn)切開橋拱形剛性支撐，則是另一種典型的定位格架結(jié)構(gòu)。Kee Nam Song等［14］提出了一種新的六點(diǎn)支撐核燃料格架結(jié)構(gòu)及其制造技術(shù)，其組裝及單元結(jié)構(gòu)如圖4所示，這種新格架的抗壓強(qiáng)度可提高30%，與核燃料棒組裝后的接觸面積增加至原來(lái)的兩倍以上，顯著增強(qiáng)了格架的抗壓能力和對(duì)燃料棒的支撐作用。

圖4 六點(diǎn)支撐核燃料格架組裝及其單元結(jié)構(gòu)［14］Fig.4 Spacer grid and cross section of spacer grid unit cell［14］

2.3 太陽(yáng)能電池基板

太陽(yáng)能是清潔的可再生能源，利用和轉(zhuǎn)換太陽(yáng)能是解決能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題的有效途徑，基于半導(dǎo)體光伏效應(yīng)的太陽(yáng)能電池是太陽(yáng)能利用的有效方式之一。與晶體硅太陽(yáng)能電池相比，薄膜太陽(yáng)能電池用硅量少、制造能耗低、質(zhì)量輕，因而成為國(guó)家光伏市場(chǎng)發(fā)展的新趨勢(shì)和新熱點(diǎn)，其基板可使用價(jià)格低廉的玻璃、塑料、石墨、金屬等材料制造，根據(jù)基板的材料不同，可分為柔襯底和硬襯底兩大類。

以往柔性薄膜太陽(yáng)能電池導(dǎo)電襯底以PET及PEN等聚合物為主，但存在聚合物襯底熔點(diǎn)低及易老化等問(wèn)題，限制了電池的制備和使用。不銹鋼具有耐高溫、耐腐蝕、導(dǎo)電性與延展性良好以及成本低等優(yōu)點(diǎn)，成為取代聚合物材料的首選金屬材料。在薄膜系太陽(yáng)能電池中轉(zhuǎn)換效率最高的銅銦鎵硒（CIGS）太陽(yáng)能電池的金屬極板常用高價(jià)的鈦或鉬箔，日本東洋鋼板公司成功開發(fā)出一種比不銹鋼成本更低的低碳鋼薄金屬基板，有效地降低了基板的厚度和成本。國(guó)內(nèi)外相關(guān)單位近10年來(lái)對(duì)燃料敏化太陽(yáng)能電池（DSSC）不銹鋼基底的研究工作取得了一定的進(jìn)展。Yongseok Jun等［15］研制的以柔性不銹鋼為基底的DSSC，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)8.6%，其性能完全可以和玻璃基底的DSSC相比擬。Jong Hyeok Park［16］分別以不銹鋼和PET作為電極基底制備DSSC，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)2.36%。陶杰［17］總結(jié)了柔性薄膜太陽(yáng)能電池用不銹鋼基板的特點(diǎn)和國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)情況，并介紹了基板成形的關(guān)鍵技術(shù)，包括基板的軋制、退火處理和拉伸矯正技術(shù)。陶杰等［18］利用有限元方法，研究了壓下量及前后張力對(duì)不銹鋼基板軋制過(guò)程中應(yīng)力分布的影響，根據(jù)模擬結(jié)果成功軋制出厚度為0.25mm的不銹鋼基板，其粗糙度可滿足基板的使用要求。山口裕弘等［19］的發(fā)明專利中提供了一種太陽(yáng)能電池基板用鋼箔及其制造方法，采用冷軋和熱處理技術(shù)之后，這種鋼箔在太陽(yáng)能電池的卷對(duì)卷方式連續(xù)制作過(guò)程中也不會(huì)發(fā)生皺曲，有利于進(jìn)行卷對(duì)卷大批量、低成本制造。

3 能源裝備用鈑金件成形仿真及工藝優(yōu)化

3.1 鈑金件成形數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀

現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展應(yīng)用的鈑金件結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，傳統(tǒng)的板料成形工藝分析和模具的設(shè)計(jì)制造主要依賴于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)不斷試模、修模來(lái)避免起皺、破裂等缺陷，使得模具生產(chǎn)周期長(zhǎng)、效率低、成本高，不適用于現(xiàn)代的生產(chǎn)要求。20世紀(jì)70年代以來(lái)，以計(jì)算機(jī)為輔助的數(shù)值模擬技術(shù)發(fā)展起來(lái)，有效地縮短了模具設(shè)計(jì)和制造周期，顯著降低了生產(chǎn)成本。有限元數(shù)值仿真是板料成形技術(shù)的前沿課題之一，如何提高模擬精度，使數(shù)值仿真接近現(xiàn)實(shí)的鈑金成形過(guò)程，成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。目前比較成熟的鈑金件成形分析商業(yè)軟件如 ABAQUS，ANSYS，LS-DYNA，AUTOFORM，DYNAFORM等，被廣泛應(yīng)用于鈑金件成形的分析研究中，成為生產(chǎn)制造和科學(xué)研究的重要輔助工具。謝偉東等［20］從本構(gòu)關(guān)系、單元模型、接觸摩擦模型、破裂準(zhǔn)則、起皺分析、回彈模型以及計(jì)算效率等方面闡述了板料成形有限元數(shù)值模擬的關(guān)鍵技術(shù)及存在的問(wèn)題，盡管國(guó)內(nèi)外關(guān)于這方面的研究報(bào)道已非常多，但在特定的鈑金成形方法和工藝條件下，如何合理地選擇和應(yīng)用這些模型和準(zhǔn)則，則是仿真工作能否成功的關(guān)鍵。

對(duì)于板料沖裁仿真研究方面，在國(guó)內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)中多采用二維單元模擬，不采用三維實(shí)體單元模擬的一個(gè)原因是三維網(wǎng)格數(shù)量太多，大大增加計(jì)算工作量，降低計(jì)算效率。但三維實(shí)體單元能較好地描述板料變形區(qū)域的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，在模擬中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。Dong-Yol Yang、Chang-Whan Le等［21］在研究熔融鹽酸鹽電池（MCFC）雙極板成形工藝優(yōu)化時(shí)采用了三維實(shí)體單元C3D8R，模擬雙極板單元的沖切和兩步彎曲成形過(guò)程。選用Cockroft-Latham準(zhǔn)則，準(zhǔn)則中的臨界值通過(guò)對(duì)剪切成形的參數(shù)化研究來(lái)確定。在一定范圍內(nèi)改變準(zhǔn)則臨界值，對(duì)比剪切試驗(yàn)和剪切模擬結(jié)果中斷口剪切帶和斷裂帶長(zhǎng)度分布，最終確定與試驗(yàn)結(jié)果相近的韌性斷裂準(zhǔn)則臨界值。MCFC雙極板單元特征的外形尺寸很小，板料厚度只有0.3mm，形狀簡(jiǎn)單規(guī)則，整體劃分了74，880個(gè)六面體單元，單元數(shù)量偏多，這在實(shí)際計(jì)算機(jī)運(yùn)算中至少需要幾天甚至是十幾天的時(shí)間，計(jì)算效率不高。

3.2 針對(duì)核燃料格架條帶的數(shù)值模擬

根據(jù)前述核燃料定位格架的典型結(jié)構(gòu)，作者課題組設(shè)計(jì)了一種格架條帶的單元特征，如圖5a所示。材料選用Inconel 718軋制條料，厚度為0.6mm。通過(guò)多工位級(jí)進(jìn)模具成形零件后，局部出現(xiàn)嚴(yán)重的破裂缺陷，如圖5b所示。

圖5 定位格架條帶單元結(jié)構(gòu)（a）和模具沖制零件（b）Fig.5 Unit cell of spacer grid strip（a）and mold forming part（b）

為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)沖裁斷面質(zhì)量，模擬工作對(duì)沖裁成形工序采用三維實(shí)體單元仿真。根據(jù)零件端部典型沖裁特征的對(duì)稱性，取其1/4進(jìn)行模擬。沖裁過(guò)程中只有沖裁輪廓附近的材料產(chǎn)生較大的變形和破壞，理想的網(wǎng)格劃分技術(shù)是只在變形區(qū)劃分較細(xì)的單元，在非變形區(qū)可劃分較粗的單元，以節(jié)約單元數(shù)量，提高計(jì)算效率。為此，本文采用局部細(xì)化網(wǎng)格的方法實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體單元快速過(guò)渡，在ABAQUS/Explicit模塊建立三維沖裁有限元模型。其中板料采用C3D8R減縮積分單元，屈服準(zhǔn)則根據(jù)材料拉伸試驗(yàn)研究選擇Hill48各向異性屈服準(zhǔn)則，相關(guān)參數(shù)由試驗(yàn)確定。凸凹模雙邊間隙為厚度的10%，根據(jù)實(shí)驗(yàn)潤(rùn)滑條件摩擦系數(shù)設(shè)為0.12。采用設(shè)置凸模位移控制成形過(guò)程。

沖裁過(guò)程中涉及到了材料的破壞，一般認(rèn)為是材料發(fā)生了韌性斷裂，需要選用合理的準(zhǔn)則并確定材料在該準(zhǔn)則下的斷裂閾值。R&T準(zhǔn)則是Rice和Tracy針對(duì)多軸應(yīng)力狀態(tài)下材料的斷裂研究而提出的，該準(zhǔn)則考慮了三向應(yīng)力作用下材料斷裂過(guò)程中的力學(xué)行為和幾何特征，不僅可以預(yù)測(cè)裂紋的產(chǎn)生，還可以預(yù)測(cè)裂紋的擴(kuò)展方向。模擬選用R&T準(zhǔn)則預(yù)測(cè)斷裂，臨界損傷值根據(jù)拉伸實(shí)驗(yàn)中材料斷裂時(shí)的等效應(yīng)變確定。通過(guò)VUMAT用戶材料子程序?qū)㈨g性斷裂準(zhǔn)則引入分析模塊中，采用刪除單元的方法來(lái)處理失效破壞的單元，即當(dāng)單元的損傷累積達(dá)到臨界值時(shí)，認(rèn)為該單元處的材料已斷裂，并將其刪除，這種方法目前廣泛應(yīng)用于模擬剪切和沖裁工藝過(guò)程。沖切過(guò)程中斷裂帶和光亮帶的長(zhǎng)度分布對(duì)零件的質(zhì)量具有很大影響。本文研究給出了沖裁斷口局部斷裂帶和光亮帶長(zhǎng)度分布狀況的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果，如圖6所示，表1中給出了斷裂帶和光亮帶占沖裁后斷面厚度的比例。由圖6和表1可以看出，數(shù)值仿真和沖裁試驗(yàn)獲得的光亮帶比例分別為39.5%和37.5%，二者吻合較好。可見(jiàn)這種模擬方法可以較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)沖裁成形中板料的斷面質(zhì)量。

圖6 有限元仿真的沖裁斷面和試驗(yàn)沖裁斷面Fig.6 Blanking surface of FE simulation and test

表1 有限元仿真的沖裁斷面和試驗(yàn)沖裁斷面對(duì)比Table 1 Blanking surface comparison of FE simulation and test

通過(guò)沖裁過(guò)程數(shù)值模擬，獲得了板料沖裁變形區(qū)的場(chǎng)量信息，如應(yīng)變、輪廓、損傷積累等，在后續(xù)成形工序中，可假設(shè)這些場(chǎng)量在厚度方向上沒(méi)有變化，只在平面內(nèi)存在變化，這樣，即可將實(shí)體單元簡(jiǎn)化為殼單元，從而進(jìn)行后續(xù)彎曲成形過(guò)程的仿真，預(yù)測(cè)板料的斷裂和回彈過(guò)程。后續(xù)彎曲成形初始?xì)卧^承上一步?jīng)_切過(guò)程中實(shí)體單元的損傷殘余，通過(guò)ABAQUS VUMAT子程序二次開發(fā)，將實(shí)體單元的場(chǎng)量信息映射到相應(yīng)的殼單元中，開展后續(xù)成形過(guò)程的仿真研究。彎曲凸模下壓量采用位移控制，與試驗(yàn)設(shè)置相同。圖7a所示為未考慮損傷映射的理想模型的應(yīng)力云圖，圖7b所示為考慮沖裁后材料中損傷殘余映射的應(yīng)力云圖。可以發(fā)現(xiàn):在模擬中凸模下壓量達(dá)到與試驗(yàn)相同時(shí)，理想模型零件在局部?jī)H出現(xiàn)輕微的破裂，與圖5b所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不相符；考慮損傷殘余映射模型中的零件在相同位置出現(xiàn)嚴(yán)重的破裂，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合較好。由此可見(jiàn)，在后續(xù)彎曲成形仿真中，要準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)零件的破裂程度，有必要考慮前一工序的沖裁損傷歷史。

圖7 后續(xù)彎曲成形仿真結(jié)果:（a）未考慮損傷殘余，（b）考慮損傷殘余Fig.7 Simulation results of subsequent bending process:（a）residual damage unconsidered and（b）residual damage mapped

4 結(jié) 語(yǔ)

總結(jié)了國(guó)內(nèi)外燃料電池雙極板流道結(jié)構(gòu)成形、核燃料格架條帶沖裁彎曲成形、太陽(yáng)能電池基板軋制成形3種能源裝備鈑金件的成形技術(shù)研究現(xiàn)狀。結(jié)合鈑金件成形數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀，利用VUAMT用戶子程序引入材料破壞準(zhǔn)則，采用ABAQUS/Explicit模塊對(duì)鎳合金核燃料格架條帶沖裁彎曲成形過(guò)程進(jìn)行仿真模擬。對(duì)比沖裁試驗(yàn)和模擬結(jié)果中的斷面質(zhì)量，驗(yàn)證了三維沖裁模擬的可靠性。后續(xù)彎曲成形仿真中考慮沖裁后材料中的損傷殘余，利用VUAMT子程序?qū)崿F(xiàn)損傷映射，相比于理想模型仿真結(jié)果，考慮映射的彎曲仿真模型較準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了彎曲成形破裂缺陷。驗(yàn)證了連續(xù)成形仿真中考慮歷史損傷的必要性，對(duì)該類零件的成形仿真具有重要的參考作用。

參考文獻(xiàn)References

［1］ Middelman E，Kout W，Vogelaar B，et al.Journal of Power Sources［J］，2003，118（1）:44-46.

［2］ Li Si（李 思），Yu Chenyun（余晨韻）.JUANZONG（卷宗）［J］，2015，5（1）:326-326.

［3］ Ni Jun（倪軍），Lai Xinmin（來(lái)新民），Lan Shuhuai（藍(lán)樹槐）.China，200610118899.2［P］.2007-05-16.

［4］ Koc M，Mahabunphachai S.Journal of Power Sources［J］，2007（172）:725-733.

［5］ Yokoyama M，Yamaura S，Kimura H.International Journal of Hydrogen Energy［J］，2008，33（20）:5 678-5 685.

［6］ LEE S J，LEE C Y，YANG K T.Journal of Power Sources［J］，2008，185（2）:1 115-1 121.

［7］ Huang Naibao（黃乃寶），Yi Baolian（衣寶廉），Hou Ming（侯明），et al.Chemical Progress（化學(xué)進(jìn)展）［J］，2005，17（6）:963-969.

［8］ Xia Chenglie（夏成烈）.China Nuclear Science and Technology Report（中國(guó)核科技報(bào)告）［J］，1989（3）.

［9］ Chen Shimin（陳世民）.Nuclear Power Engineering（核動(dòng)力工程）［J］，1999，20（4）:364-368.

［10］Ye Yuandong（葉遠(yuǎn)東）.China Nuclear Science and Technology Report（中國(guó)核科技報(bào)告）［J］，2004，1:012.

［11］Ye Yuandong（葉遠(yuǎn)東），Zhong Ming（鐘鳴），Qin Chuanling（秦傳玲）.Science and Technology Innovation Herald（科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)）［J］，2015，17:049.

［12］Chen Jie（陳杰），Lei Tao（雷濤），Cheng Huayang（程華旸）.China，201220709915.6［P］.2013-05-22.

［13］Zhang Jiahua（張家驊），Chen Yuda（陳裕達(dá)），Ji Deguan（季德官），et al.Nuclear Power Engineering（核動(dòng)力工程）［J］，1988（4）.

［14］Song K N，Lee S B，Shin M K，et al.Journal of Nuclear Science and Technology［J］，2010，47（3）:295-303.

［15］Jun Y，Kim J，Kang M G.Solar Energy Materials and Solar Cells［J］，2007，91（9）:779-784.

［16］Park J H，Jun Y，et al.Journal of the Electrochemical Society［J］，2008，155（7）:145-149.

［17］Tao Jie（陶杰），He Xueting（何雪婷），Zhu Jianping（朱建平），et al.Mechanical Manufacturing and Automation（機(jī)械制造與自動(dòng)化）［J］，2011，40（4）:1-4.

［18］He Xueting（何雪婷），Tao Jie（陶 杰），Sun Xianjun（孫顯?。?，et al.Mechanical Manufacturing and Automation（機(jī)械制造與自動(dòng)化）［J］，2012，41（1）:86-89.

［19］Shankou Yuhong（山口裕弘），Bentian Chongxiao（本田充孝），Xishan Zhishu（西山直樹）.China，201180058623.9［P］.2013-08-14.

［20］Xie Weidong（謝偉東），Jin Jun（金 軍），Ruan Shixun（阮世勛），et al.Hardware Science and Technology（五金科技）［J］，2002，30（6）:13-15.

［21］Yang D Y，Lee C W，Kang D W，et al.Optimization of the Preform Shape in the Three-Stage Forming Process of the Shielded Slot Plate in Fuel Cell Manufacturing［C］//Proceedings of the 11th International Conference on Numerical Methods in Industrial Forming Processes:Numiform 2013.AIP Conf Proc，2013（1532）:446-451.

（編輯 惠 瓊）

Sheet Metal Forming Technologies for Energy System Related Components

LV Xiaofang，LI Xifeng，CHEN Jun
（Department of Plasticity Technology，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200030，China）

Abstract:In the present work，the state-of-the-art in forming technologies of sheet metal components for energy industry was summarized.Especially，the current forming technologies of bipolar plate for fuel PEMFC，spacer grid in LWR fuel assembly and solar cell substrate were mainly addressed.The three dimensional forming simulation model of blanking process for one spacer grid stripe was built up based on ABAQUS/Explicit.The user material subroutine VUMAT was employed and the material model，anisotropic yield criterion and ductile fracture criterion in ABAQUS were implemented.Comparison of predicted blanking fracture section and experimental results shows that the FEM simulation results are in good agreement with the experimental ones.Through the secondary development of the subroutine in ABAQUS，the mapping of the historical residual damage from solid elements to shell element was realized.The bending process after blanking was simulated with this mapping method.The accuracy of the mapping method was verified by comparing simulation results with or without mapping with the experiment result.

Key words:energy industry；sheet metal components；numerical simulation；field variables；mapping

中圖分類號(hào)：V46

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-3962（2016）04-0262-06

收稿日期：2015-11-23

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51475295）

通訊作者：陳 軍，男，1969年生，教授，博士生導(dǎo)師，Email:jun_chen@sjtu.edu.cn

DOI:10.7502/j.issn.1674-3962.2016.04.03