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(yīng)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(jié)構(gòu)緊湊和美觀的儲氫合金性能測試儀是人們關(guān)心的內(nèi)容。傳統(tǒng)上基于二維CAD軟件的設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)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(zhì)量；mMe為儲氫合金的質(zhì)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(shè)計

現(xiàn)代制造業(yè)中，產(chǎn)品的設(shè)計、分析、制造和數(shù)據(jù)管理日趨一體化，傳統(tǒng)的設(shè)計模式已經(jīng)不能滿足人們對產(chǎn)品的外觀和性能的預(yù)知要求，三維繪圖軟件的應(yīng)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(shè)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(shè)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(shè)計者腦海中展現(xiàn)測試儀的框架結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)示意圖。根據(jù)二維結(jié)構(gòu)示意圖可對測試儀進行虛擬設(shè)計，其設(shè)計過程是：首先通過SolidWorks對所使用的關(guān)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(shè)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(shè)計的實體零部件，其設(shè)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(shè)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(shè)計需求，同時為滿足將來進行后續(xù)設(shè)備研發(fā)設(shè)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(shè)計表設(shè)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(guān)系不同，而拓撲關(guān)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(shè)計的設(shè)計方法，此法方便靈活，便于操作。本測試儀的設(shè)計過程中采用系列零件設(shè)計表設(shè)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(jié)構(gòu)示意圖對各零部件進行虛擬裝配。SolidWorks裝配體設(shè)計的方法有兩種：自下而上（down-top）設(shè)計法和自上而下（top-down）設(shè)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(guān)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(shè)計，設(shè)計者先在腦海中完成產(chǎn)品的整體構(gòu)建，再按順序完成下一層零部件的的設(shè)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(shè)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(shè)計。裝配設(shè)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(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)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(guān)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(shè)計與分析

3.1 樣品室設(shè)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(yīng)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(jié)構(gòu)。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(nèi)壁采用超高純電解拋光加工工藝，在樣品室后端設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計人員通常利用它來進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，然后利用專業(yè)的有限元分析軟件進行結(jié)構(gòu)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(shè)定溫度為500℃，二分之一以上部分設(shè)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(jié)構(gòu)尺寸滿足設(shè)計要求，不會產(chǎn)生快速接頭內(nèi)部O型圈超溫失效的現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

圖6 樣品室溫度場云圖

采用SolidWorks三維虛擬設(shè)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(shè)計，能夠迅速發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷，及時對測試儀結(jié)構(gòu)進行修改和進一步優(yōu)化，大大降低了設(shè)備開發(fā)風險和開發(fā)成本。這種設(shè)計方式值得在材料性能測試設(shè)備研發(fā)領(lǐng)域進行推廣。依據(jù)該設(shè)計結(jié)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(jié)構(gòu)緊湊、操作方便、故障率低等特點。

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