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研究生:潘品帆
論文名稱:橡膠墊輔助金屬板材微流道成形之有限元素分析
論文名稱(外文):Finite Element Analysis on The Rubber Pad Forming of Microchannels on Metal Sheet
指導教授:洪景華
學位類別:碩士
校院名稱:國立交通大學
系所名稱:機械工程學系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2012
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:90
中文關鍵詞:橡膠墊輔助成形微流道有限元素最佳化
外文關鍵詞:Rubber pad formingmicro channelFinite elementOptimization
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由於目前燃料電池中重要元件雙極板,並無適合進行量產之加工方式,使其整體成本始終居高不下。本研究利用橡膠墊輔助成形此加工方法,進行金屬微流道結構之製作,並探討各製程參數對於成形性之影響。使用厚度為0.1mm之SUS304薄板,透過不同厚度與硬度之聚氨酯墊,進行金屬雙極板微流道之壓印。由實驗結果得知橡膠墊厚度與硬度對於成形量並無顯著影響。接續則利用有限元素模擬軟體Abaqus/Standard,建立2-D平面模型,對其分別進行以深寬比、填充率為目標函數之最佳化分析,觀察在容許範圍內,流道幾何參數與負載之變化趨勢,所得結果兩者皆優於初始值。接著以最佳化後之參數組合,對於進行敏感度分析,觀察各製程參數對於兩成形性判斷依據之影響。結果顯示,在小幅度改變下,負載提升、流道寬度增加、加大底圓角以及減少脫模角,皆有利於提升成形性,對於不同之成形性判斷依據,其影響顯著程度先後順序略有不同。
Bipolar plate is an important component of the fuel cell. Because there is no suitable fabrication process for mass-production of biopolar plate, the cost of portable fuel cell is still too high at present . In this study, the rubber pad forming process was used to fabricate the metallic bipolar plate and the process parameters of the rubber pad forming were analyzed. Polyurethane rubbers with different hardness were used for the rubber pads, and SS304 annealed stainless steel sheets with a thickness of 0.1 mm were tested in the experiment. According to the result of experiment, both the hardness and the thickness of pad are of no influential significance. Finite element analysis (FE, Abaqus / Standard software) was used to analyze the rubber pad forming process numerically. And optimization focused on aspect-ratio and filling percentage by changing the various dimension of flow channel and loading were conducted. Sensitivity analysis was also performed to investigate the effects of the process parameters.
摘要 i
Abstract ii
誌謝 iii
目錄 v
圖目錄 ix
表目錄 xiii
符號表 xv
第一章 緒論 1
1.1. 簡介 1
1.1.1 燃料電池介紹 1
1.1.2 橡膠墊輔助成形技術 6
1.2. 文獻回顧 8
1.3. 研究動機與目的 9
1.4. 研究方法 9
1.5. 論文架構 11
第二章 材料性質與試驗 12
2.1. 不銹鋼板材拉伸試驗 12
2.1.1. 彈性係數與指數定律 12
2.1.2. 試驗方法及結果 13
2.1.3. 材料熱處理 16
2.2. 橡膠材料試驗 18
2.2.1. 超彈性材料力學模型 18
2.2.2. 單軸材料試驗 20
2.2.3. 雙軸材料試驗 21
2.2.4. 簡易拉伸試驗之實施 23
2.2.5. 簡易拉伸試驗結果 24
2.3. 簡易拉伸試驗模型建立與驗證 28
2.4. 小結 30
第三章 有限元素分析 32
3.1. 有限元素分析系統 32
3.2. 軟體介紹-Abaqus 35
3.3. 有限元素模型之基本假設 36
3.4. 模型建立 37
3.4.1. 模具、板件外形與邊界條件設定 37
3.4.2. 材料性質設定 39
3.5. 網格收斂性測試 40
3.6. 後處理 43
3.7. 最佳化分析系統 44
3.8. 最佳化軟體-SmartDO 45
3.9. 小結 48
第四章 橡膠墊輔助成形實驗與模擬 49
4.1. 實驗機台與模具介紹 49
4.1.1. 油壓壓床機台 49
4.1.2. 模仁與橡膠墊 50
4.1.3. 量測儀器 52
4.2. 實驗與初步有限元素模擬驗證 53
4.3. 簡化模型可行性測試 56
4.4. 橡膠墊輔助成形與液壓成形比較 57
4.5. 最佳化分析 60
4.5.1. 深寬比之探討 63
4.5.2. 深寬比之敏感度分析 64
4.5.3. 填充率之探討 70
4.5.4. 填充率之敏感度分析 72
4.5.5. 深寬比與填充率之探討 78
第五章 結論及未來工作 80
5.1. 結論 80
5.2. 未來工作 82
參考文獻 85
附錄A 模具系統之設計規格圖 89

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