能源裝備用薄壁鈑金構(gòu)件的成形技術(shù)

呂曉芳，李細鋒，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。重點介紹了燃料電池（PEMFC）雙極板凹凸狀流道成形技術(shù)、核燃料定位格架條帶的沖切彎曲成形技術(shù)和太陽能電池基板軋制成形技術(shù)的研究現(xiàn)狀。運用ABAQUS/Explicit軟件，通過編寫VUMAT用戶材料子程序引入材料模型、各向異性屈服準則和韌性斷裂準則，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)果與試驗獲得的光亮帶和斷裂帶的比例分布吻合較好。通過ABAQUS子程序二次開發(fā)，實現(xiàn)了歷史變形損傷殘余由實體單元到殼單元的映射，應(yīng)用于后續(xù)彎曲成形仿真，并與試驗結(jié)果相對比，驗證了損傷映射的必要性和準確性。

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

第一作者：呂曉芳，女，1991年生，碩士研究生

1 前 言

進入21世紀，全球環(huán)境污染日益嚴重，化石能源日漸枯竭。新能源的開發(fā)引起了各國政府和研究機構(gòu)的重視，新能源產(chǎn)業(yè)成為衡量一個國家和地區(qū)高新技術(shù)發(fā)展水平的重要依據(jù)，也是新一輪國際競爭的戰(zhàn)略制高點。國內(nèi)新能源行業(yè)的發(fā)展技術(shù)水平和生產(chǎn)能力與國外先進水平差距較大，技術(shù)和設(shè)備生產(chǎn)多依賴進口，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。

先進材料的薄壁鈑金構(gòu)件具有重量輕、強度高、導(dǎo)電性能好等特點，在各個行業(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，實現(xiàn)高效、快速、柔性和精確成形。因而，使得液壓成形、溫熱成形、超塑性成形、噴丸成形和漸進成形等先進鈑金成形技術(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、無污染和來源豐富等優(yōu)點，被視為“后石油時代”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)電站等多個領(lǐng)域。

20世紀 80年代以來，質(zhì)子交換膜型燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）引起了國內(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，整個雙極板變形區(qū)域大，變形細節(jié)相對很小且數(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)吸引了國內(nèi)外的學(xué)者。相對于機加工，沖壓工藝是一種適合大批量生產(chǎn)的加工方法，對于節(jié)約成本和減輕重量具有顯著優(yōu)勢，但在成形過程中容易出現(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，整個生產(chǎn)線分為兩個階段，第一階段為單極板輥壓工序，采用單極板輥壓輥子對上下兩個工位同時進行兩個單極板的極板輥壓，一個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，單極板輥壓輥子對的圓周表面輪廓由雙極板的流場的流道形狀映射生成，且一個圓周上分布若干個極板反應(yīng)流場。每個工位上的輥子對共軛，上下工位的輥子對采用互逆布置，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，上下兩個對稱的連接輥子上有凸起平臺，凸起平臺頂部設(shè)置有微型連接凸點和凹槽，通過微型連接凸點的冷擠壓迫使金屬材料在凹槽兩側(cè)內(nèi)流動，可實現(xiàn)兩塊單極板的連接。之后采用整形輥子對進行雙極板整形，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現(xiàn)了在一個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)也取得了一定的進展。

圖2 雙極板輥壓成形總體布局圖［3］:①開卷機，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，?微型連接凹槽，?微型連接凸點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，但存在耐腐蝕性差等明顯的缺點，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［7］。

2.2 壓水堆核燃料定位格架

壓水堆是一種首先應(yīng)用于研究的核動力堆，其設(shè)計緊湊，安全性好，世界各國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)堆運行時，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，另一方面通過攪拌翼對流體的攪渾作用提高燃料組件的臨界熱流密度，對組件熱工水力學(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都是從定位格架開始，其設(shè)計和制造技術(shù)要求均很嚴格。長期以來，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造工藝難度大，定位格架條帶、彈簧的采購一直依賴進口成品零件。在選材方面，早期標準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，會造成無益的中子損失，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］。

國內(nèi)外文獻大多論述格架結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化和格架組件熱工水力分析方法的研究，對于核燃料格架制造技術(shù)的研究卻鮮有文獻發(fā)表。宜賓核燃料元件廠20世紀80年代成功制造出我國第一代核電站用鎳合金定位格架，但在標準化、系列化、自動化和生產(chǎn)效率上還存在較多問題，后來又對定位格架Inconel 718雙彈簧成形工藝及模具進行了研制，采用設(shè)計的雙彈簧斜楔滑塊打彎成形級進模，制造出了符合技術(shù)要求的雙彈簧［9］。法國馬通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，國內(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，基本具備了國產(chǎn)化研究條件，葉遠東［10］針對AFA 3G定位格架內(nèi)外條帶及彈簧的結(jié)構(gòu)和制造難點進行了分析，制訂了研制方案；葉遠東、鐘鳴等［11］針對AFA 3G組件格架條帶、雙彈簧的結(jié)構(gòu)進行了一系列沖壓工藝試驗及相關(guān)試驗，制訂了彈簧級進模沖制工藝方案。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，開孔的導(dǎo)向翼增強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。通過三維模擬以及試驗驗證表明，限制外圍燃料棒位移和在外條帶上部設(shè)置連續(xù)導(dǎo)向翼機構(gòu)的設(shè)計思路能夠有效降低格架的勾掛風險。

張家驊等［13］設(shè)計的六點支撐15×15排列彈簧定位格架，采用兩點彈性支撐和四點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度可提高30%，與核燃料棒組裝后的接觸面積增加至原來的兩倍以上，顯著增強了格架的抗壓能力和對燃料棒的支撐作用。

圖4 六點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 太陽能電池基板

太陽能是清潔的可再生能源，利用和轉(zhuǎn)換太陽能是解決能源危機和環(huán)境污染問題的有效途徑，基于半導(dǎo)體光伏效應(yīng)的太陽能電池是太陽能利用的有效方式之一。與晶體硅太陽能電池相比，薄膜太陽能電池用硅量少、制造能耗低、質(zhì)量輕，因而成為國家光伏市場發(fā)展的新趨勢和新熱點，其基板可使用價格低廉的玻璃、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低及易老化等問題，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，成為取代聚合物材料的首選金屬材料。在薄膜系太陽能電池中轉(zhuǎn)換效率最高的銅銦鎵硒（CIGS）太陽能電池的金屬極板常用高價的鈦或鉬箔，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。國內(nèi)外相關(guān)單位近10年來對燃料敏化太陽能電池（DSSC）不銹鋼基底的研究工作取得了一定的進展。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2.36%。陶杰［17］總結(jié)了柔性薄膜太陽能電池用不銹鋼基板的特點和國內(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不銹鋼基板軋制過程中應(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，這種鋼箔在太陽能電池的卷對卷方式連續(xù)制作過程中也不會發(fā)生皺曲，有利于進行卷對卷大批量、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)越來越復(fù)雜，傳統(tǒng)的板料成形工藝分析和模具的設(shè)計制造主要依賴于設(shè)計者的經(jīng)驗，通過不斷試模、修模來避免起皺、破裂等缺陷，使得模具生產(chǎn)周期長、效率低、成本高，不適用于現(xiàn)代的生產(chǎn)要求。20世紀70年代以來，以計算機為輔助的數(shù)值模擬技術(shù)發(fā)展起來，有效地縮短了模具設(shè)計和制造周期，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)實的鈑金成形過程，成為國內(nèi)外研究的熱點。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、破裂準則、起皺分析、回彈模型以及計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)及存在的問題，盡管國內(nèi)外關(guān)于這方面的研究報道已非常多，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)用這些模型和準則，則是仿真工作能否成功的關(guān)鍵。

對于板料沖裁仿真研究方面，在國內(nèi)相關(guān)文獻中多采用二維單元模擬，不采用三維實體單元模擬的一個原因是三維網(wǎng)格數(shù)量太多，大大增加計算工作量，降低計算效率。但三維實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)，在模擬中具有獨特的優(yōu)勢。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)化時采用了三維實體單元C3D8R，模擬雙極板單元的沖切和兩步彎曲成形過程。選用Cockroft-Latham準則，準則中的臨界值通過對剪切成形的參數(shù)化研究來確定。在一定范圍內(nèi)改變準則臨界值，對比剪切試驗和剪切模擬結(jié)果中斷口剪切帶和斷裂帶長度分布，最終確定與試驗結(jié)果相近的韌性斷裂準則臨界值。MCFC雙極板單元特征的外形尺寸很小，板料厚度只有0.3mm，形狀簡單規(guī)則，整體劃分了74，880個六面體單元，單元數(shù)量偏多，這在實際計算機運算中至少需要幾天甚至是十幾天的時間，計算效率不高。

3.2 針對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。通過多工位級進模具成形零件后，局部出現(xiàn)嚴重的破裂缺陷，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）

為準確預(yù)測沖裁斷面質(zhì)量，模擬工作對沖裁成形工序采用三維實體單元仿真。根據(jù)零件端部典型沖裁特征的對稱性，取其1/4進行模擬。沖裁過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，提高計算效率。為此，本文采用局部細化網(wǎng)格的方法實現(xiàn)三維實體單元快速過渡，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，屈服準則根據(jù)材料拉伸試驗研究選擇Hill48各向異性屈服準則，相關(guān)參數(shù)由試驗確定。凸凹模雙邊間隙為厚度的10%，根據(jù)實驗潤滑條件摩擦系數(shù)設(shè)為0.12。采用設(shè)置凸模位移控制成形過程。

沖裁過程中涉及到了材料的破壞，一般認為是材料發(fā)生了韌性斷裂，需要選用合理的準則并確定材料在該準則下的斷裂閾值。R&T準則是Rice和Tracy針對多軸應(yīng)力狀態(tài)下材料的斷裂研究而提出的，該準則考慮了三向應(yīng)力作用下材料斷裂過程中的力學(xué)行為和幾何特征，不僅可以預(yù)測裂紋的產(chǎn)生，還可以預(yù)測裂紋的擴展方向。模擬選用R&T準則預(yù)測斷裂，臨界損傷值根據(jù)拉伸實驗中材料斷裂時的等效應(yīng)變確定。通過VUMAT用戶材料子程序?qū)㈨g性斷裂準則引入分析模塊中，采用刪除單元的方法來處理失效破壞的單元，即當單元的損傷累積達到臨界值時，認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程。沖切過程中斷裂帶和光亮帶的長度分布對零件的質(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度分布狀況的實驗結(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)值仿真和沖裁試驗獲得的光亮帶比例分別為39.5%和37.5%，二者吻合較好。可見這種模擬方法可以較準確地預(yù)測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沖裁斷面對比Table 1 Blanking surface comparison of FE simulation and test

通過沖裁過程數(shù)值模擬，獲得了板料沖裁變形區(qū)的場量信息，如應(yīng)變、輪廓、損傷積累等，在后續(xù)成形工序中，可假設(shè)這些場量在厚度方向上沒有變化，只在平面內(nèi)存在變化，這樣，即可將實體單元簡化為殼單元，從而進行后續(xù)彎曲成形過程的仿真，預(yù)測板料的斷裂和回彈過程。后續(xù)彎曲成形初始殼單元要繼承上一步?jīng)_切過程中實體單元的損傷殘余，通過ABAQUS VUMAT子程序二次開發(fā)，將實體單元的場量信息映射到相應(yīng)的殼單元中，開展后續(xù)成形過程的仿真研究。彎曲凸模下壓量采用位移控制，與試驗設(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?？梢园l(fā)現(xiàn):在模擬中凸模下壓量達到與試驗相同時，理想模型零件在局部僅出現(xiàn)輕微的破裂，與圖5b所示的實驗結(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)嚴重的破裂，與實驗結(jié)果相符合較好。由此可見，在后續(xù)彎曲成形仿真中，要準確地預(yù)測零件的破裂程度，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

總結(jié)了國內(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則，采用ABAQUS/Explicit模塊對鎳合金核燃料格架條帶沖裁彎曲成形過程進行仿真模擬。對比沖裁試驗和模擬結(jié)果中的斷面質(zhì)量，驗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確預(yù)測了彎曲成形破裂缺陷。驗證了連續(xù)成形仿真中考慮歷史損傷的必要性，對該類零件的成形仿真具有重要的參考作用。

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（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：V46

文獻標識碼：A

文章編號：1674-3962（2016）04-0262-06

收稿日期：2015-11-23

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（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