储氢合金性能测试仪的结构设计

曹 磊，程宏辉，王 佳，陆华峰，陈 飞，陈德敏，杨 柯

CAO Lei1,CHENG Hong-hui1,WANG Jia1,LU Hua-feng1,CHEN Fei1,CHEN De-min2,YANG Ke2

（1. 扬州大学 机械工程学院，扬州 225127；2. 中国科学院 金属研究所，沈阳 110016）

0 引言

在储氢合金的研发和应用过程中，需要利用储氢合金性能测试仪完成对其吸放氢PCT曲线、储氢量、吸氢平台压、以及储氢性能稳定性和抗粉化性能等数据的测试。如何快速制造测试精度高、工作可靠、结构紧凑和美观的储氢合金性能测试仪是人们关心的内容。传统上基于二维CAD软件的设计方式由于直观性较差难以达到上述目标。

本文介绍了储氢合金性能测试仪的工作原理，利用主流三维CAD软件SolidWorks对储氢合金性能测试仪进行三维结构设计，并利用有限元分析软件ANSYS Workbench对样品室进行传热分析,获得了样品室处于极限工作温度下的稳态温度场，具有过程省时、直观性好等优点，大大地提高了储氢合金性能测试仪的开发效率。

1 测试仪的工作原理

储氢合金性能测试仪所基于的测试方法有两种，一种是重量法，一种是容量法。该测试仪采用容量法进行储氢合金吸放氢性能测试。

容量法测试原理（如图1所示），可用下面计算公式描述：

图1 容量法储氢合金性能测试仪原理图

其中，n1为阀3打开前储气室和样品室包含的氢气摩尔量；n2为阀3打开后，样品吸放氢达到平衡后储气室和样品室包含的氢气摩尔量；Δn为储氢合金氢含量的变化，Δn＞0表示储氢合金处于吸氢状态，Δn＜0表示储氢合金处于放氢状态，w表示储氢百分量，R为气体常数；Tsc和Tpc分别为样品室和储气室温度；P1为阀3打开前测试仪的气体压力；P2为阀3打开后，样品吸放氢达到平衡时测试仪的气体压力；Vsc和Vpc分别为样品室和储气室体积；Z (T,P)为不同温度和压力下氢气的压缩因子，可通过氢气的维里方程计算获得；MH为氢气的摩尔质量；mMe为储氢合金的质量。以储氢百分量w为横坐标，平衡压为纵坐标作图得到储氢合金吸放氢PCT曲线，以储氢百分量w为横坐标，时间为纵坐标作图得到储氢合金吸放氢动力学曲线。

2 测试仪的三维虚拟设计

现代制造业中，产品的设计、分析、制造和数据管理日趋一体化，传统的设计模式已经不能满足人们对产品的外观和性能的预知要求，三维绘图软件的应用和推广使得产品的研发向着虚拟化方向发展。SolidWorks是基于Windows环境下的一款三维造型设计软件，兼具三维建模与装配、工程图绘制、动画制作和实体渲染等功能，利用其进行虚拟设计可减少物理样机的反复试验和修改，缩短开发周期，减少开发成本。

储氢合金性能测试仪包含样品室、储气室、保温箱、恒温系统、压力及温度测量系统、管路、真空泵、工作架等众多零部件，很难在设计者脑海中展现测试仪的框架结构。首先采用微软公司的Visio软件的工艺工程模块对整个系统进行布局，获得二维结构示意图。根据二维结构示意图可对测试仪进行虚拟设计，其设计过程是：首先通过SolidWorks对所使用的关键商业化标准零部件进行三维建模，然后对这些零部件进行虚拟装配，获得初步的三维装配体，然后根据三维装配体进行系统中非标零部件的设计，进而获得更加详细而具体的三维装配体，重复上述过程多次，同时又不断对现有非标零件进行修改，最终获得储氢合金性能测试仪的虚拟样机。图2所示为采用基于特征的参数化造型方法设计的实体零部件，其设计步骤与其它CAD软件大同小异，且现有CAD软件对零件的设计步骤的定义已经非常完善，在此不作详细讨论。

图2 储氢合金性能测试仪部分零部件三维造型图

储氢合金性能测试仪的零部件主要包括中国国家标准件、美国国家标准件、德国国家标准件、欧洲标准件和自制非标准件，由于其数量多、规格门类不一，SolidWorks自带零件库已不能满足设计需求，同时为满足将来进行后续设备研发设计，有必要建立储氢合金性能测试仪专用零件库。在SolidWorks中建立零件库的方法通常有三种：1）系列零件设计表设计法；2）宏创建法；3）外部编程法。后两种方法操作繁琐，对语言编程能力要求较高，一般不易掌握。第一种方法是基于系列零件几何关系不同，而拓扑关系相同的特点，运用Excel表格建立数据库，对零件进行参数化设计的设计方法，此法方便灵活，便于操作。本测试仪的设计过程中采用系列零件设计表设计法建立了专用零件库，其中包括APS铝型材库、气体管路零件库、国标零件库和自制非标零件库。以气体管路零件库为例，该库包含接口直径为1/2英寸、1/4英寸和1/8英寸的各类管道、卡套接头零部件。

零部件的实体造型完成之后，根据Visio二维结构示意图对各零部件进行虚拟装配。SolidWorks装配体设计的方法有两种：自下而上（down-top）设计法和自上而下（top-down）设计法。前者是一种归纳法，需在装配之前获得零部件几何参数和三维造型，然后通过建立配合关系（如同心、重合、平行、距离等）进行装配；后者是一种演绎法，需在装配环境中完成零部件设计，设计者先在脑海中完成产品的整体构建，再按顺序完成下一层零部件的的设计，此法无需添加任何装配约束。该测试仪包含零部件繁多，装配过程繁杂，属于大型产品的大装配设计，单凭一种装配方式很难完成，需要综合以上两种装配方式进行设计。装配设计过程中，以储氢合金性能测试仪为总装配体，储气室、工作架、保温箱、恒温系统等为子装配体。首先对子装配体进行装配设计，依据实际需要选择装配方式，然后在总装配体环境中进行二次装配，并依据设计要求采取不同的装配方式。以保温箱为例，在子装配过程中采取自上而下法，而在总装配过程中则采取自下而上法。虚拟装配完成之后，对装配体进行干涉检查和间隙检查，发现其中的潜在问题，并对零部件的结构特征进行修改，以满足可装配性和可制造性的要求。图3所示为储氢合金性能测试仪的总装配体。

图3 储氢合金性能测试仪的总装配体

储氢合金性能测试仪的储气室对泄漏极为敏感，要求氦检测泄漏率小于1×10-8std cm3/s，对实际装配操作提出了非常高的要求，但是由于零件众多，容易造成误装配。虚拟装配能够表现真实环境下的装配情况，为实际装配提供指导。为了更好地表达储气室中各零部件间的配合关系，本文利用SolidWorks软件生成了储气室的爆炸视图（如图4所示），并动画演示了储气室的装配和拆卸过程。

图4 储气室爆炸视图

3 样品室的设计与分析

3.1 样品室设计

样品室是储氢合金性能测试仪的核心部件，整个吸放氢反应过程在此进行。由于氢气是易燃易爆气体，且实验时样品室最高处于500℃高温、40MPa高压环境下，气体泄漏易造成实验失败和酿成爆炸事故，因此有必要对样品室进行实时检漏操作。同时为提高测试效率，本测试仪样品室采用多路复用结构。为满足能承受高温、高压和高精度测试要求，整个样品室均采用316L不锈钢材料，腔体内壁采用超高纯电解抛光加工工艺，在样品室后端设有一检漏口，检漏口对着密封垫片，方便进行检漏操作。样品通过螺纹连接处放入样品室。样品室设有三个单独的子样品室（如图5所示），分别通过美国某公司的QC4型快速接头连接在一四通气路上，每个样品室在实验时互不影响，可即时插拔，使用方便。

图5 子样品室

3.2 样品室的传热分析

样品室中快速接头是通过O型圈实现即时密封的，其最高适用温度为150℃，由于样品室后端置于500℃恒温系统中，所产生的热传导作用有可能使快速接头中的O型圈超温失效，因此有必要对设计的样品室进行传热分析，获得O型圈的温度场并判断是否超出其适用温度。SolidWorks虽具有强大的三维建模功能，但其有限元分析功能较为薄弱，因此设计人员通常利用它来进行结构设计，然后利用专业的有限元分析软件进行结构合理性分析。本文采用ANSYS Workbench有限元软件对样品室进行稳态热分析，其热分析过程如下：

1）导入装配体模型：将SolidWorks建立的样品室装配体模型导入ANSYS Workbench，各零件接触域间连接方式定义为绑定（bonded）；

2）定义零件的材料属性：在Engineering Data中将各零件材料定义为stainless steel，定义其导热系数为21.4W/（m ·℃）；

3）划分网格（mesh）：采用自动划分网格模式；

4）定义边界条件：样品室二分之一以下部分设定温度为500℃，二分之一以上部分设定为外表面与空气进行对流换热的简单情况；

5）求解样品室稳态温度场，得到了样品室温度场云图。

由温度场云图看出在样品室处于最高温度下工作时，快速接头的温度场约在103℃～130℃之间，并未超过150℃。可以判断样品室的结构尺寸满足设计要求，不会产生快速接头内部O型圈超温失效的现象。

4 结束语

图6 样品室温度场云图

采用SolidWorks三维虚拟设计软件和ANSYS Workbench有限元软件对储氢合金性能测试仪进行协同设计，能够迅速发现设计缺陷，及时对测试仪结构进行修改和进一步优化，大大降低了设备开发风险和开发成本。这种设计方式值得在材料性能测试设备研发领域进行推广。依据该设计结果研制的储氢合金性能测试仪已被所在单位投入使用，具有测试精度高、结构紧凑、操作方便、故障率低等特点。

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