基于HUPERWORK的燃料电池端板结构拓扑优化分析

本文通过使用HYPERWORK等工具对燃料电池端板结构进行优化设计，成功实现了端板质量的显著降低，降重率达到了35%。燃料电池端板作为支撑和固定电池单体的关键部件，其结构性能对整个燃料电池系统的运行稳定性具有重要影响。因此，对燃料电池端板结构进行优化设计是提高燃料电池性能和降低成本的重要途径。通过优化设计，可以显著减小端板的质量，从而降低整个燃料电池系统的重量和成本。同时，优化后的端板结构还可以提高燃料电池的性能和稳定性，进一步推动燃料电池在汽车、航空航天、能源等领域的应用。本文的研究结果可以为燃料电池的发展和应用提供有力支持。

随着能源紧缺和环境污染问题的日益严重，燃料电池作为一种清洁、高效的能源转换装置[1]，正越来越受到人们的关注。其中，燃料电池端板作为支撑和固定电池单体的关键部件，其结构性能对整个燃料电池系统的运行稳定性具有重要影响。为了提高燃料电池的性能和降低成本，开展燃料电池端板结构的优化设计具有重要意义[2]。对于本文涉及到的大型燃料电池堆，在封装过程中需要使用端板、螺栓等部件对整体组件进行紧固，因此端板是燃料电池组件中必不可少的部分。

人们已经开展了很多端板的改进研究，比如改变端板形状，在端板表面加筋或改变接触面形状。另外， Yu 等[3]也通过设计端板内侧接触面预变形的方法， 使端板在封装载荷的作用下达到近似平面的状态。

有专利中提供了一种封装薄壳装置，装配于端板和螺栓头之间，该装置中心区域向端板内凹并与之接触， 装置的外边缘在施加封装力前与端板留有平行的间隙，在封装过程中可以通过改善端板的弯曲变形达到改善内部压力均匀性的目的。Wang 等[4]通过结合液压袋，设计了一种增压端板，对内部接触压力均匀性有一定的改善。

Yu 等[5]提出一种含有预变形的绝缘泡沫芯端板， 他在设计中考虑了端板的轻量化的需求，这种端板不仅有保温减重的效果，还对内部压力的均匀性有一定的改善。Lin [6]通过多目标拓扑优化的方法，以端板最大刚度和内部压力最均匀性为设计目标，改善了端板结构，在保证了端板刚度的同时，改善了电堆内部压力，对端板的减重也有一定的效果。拓扑优化不同与结构优化和尺寸优化，是一种对结构的材料分布的优化设计方法，可作为后续优化的基础。相对于传统的端板结构设计，端板的拓扑优化采用理论工具指导材料的最优分布，给出端板结构设计的概念雏形，加快了优化设计进程。

在现有技术条件下，要想使新能源汽车续航能力更加持久，就要降低整车质量，而对于大型电堆， 端板质量占整体质量很大一部分，因此设计电堆端板结构形状时，需要在保证端板强度可靠性和功能要求的情况下通过优化结构设计极可能地减小其质量，达到轻量化的目标[7]。

2. 三燃料电池三维模型建立 2.1. 模型建立 本文通过SOLIDWORKS 进行三维建模，根据燃料电池的实际尺寸和材料属性，如表1 所示。对燃料电池的各个部件进行精细的三维建模，如图1 所示。首先，建立了燃料电池的单电池结构模型，包括