聚氨酯软模成形金属双极板加工成形方法、系统及仿真方法
本发明涉及金属双极板结构设计与成形技术领域，尤其涉及一种聚氨酯软模成形金属双极板加工成形方法分析系统以及仿真方法。
背景技术：
现有的金属双极板的加工成形方式主要有精密冲压、辊压成形、电子雕刻、化学腐蚀；且已有的双极板多由具有普通一阶流道的结构构成。但是这种流道功率密度低。
其中，对于精密冲压方法，其是靠压力机和精密冲压模具对板材施加外力，使之产生塑性变形或分离，从而获得所需形状和尺寸的工件(冲压件)的成形加工方法。但是这种成形方式对模具的要求高，因此生产成本也较高。
其中，对于辊压成形方法，其是指依靠材料的塑性移动特性，采用滚动挤压的原理成形各种复杂制件的工艺。然而使用这种方式生产的双极板表面平整度较差且生产效率较低。
其中，对于电子雕刻方法，其是指将光信号或数字信号，通过光电转换和电磁转换变成雕刻刀机械运动，从而使板材成形的过程。但是这种加工方法生产效率较低并且生产成本较高。
其中，对于化学腐蚀方法，其是指将多余金属材料与周围腐蚀介质发生化学反应而获得所需形状的成形方法。但是这种加工方法生产成本较高同时生产效率偏低。
技术实现要素：
基于此，为解决现有技术所存在的不足，特提出了一种聚氨酯软模成形金属双极板加工成形方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种聚氨酯软模成形金属双极板加工成形方法，其特征在于，所述的金属双极板至少具有若干二阶流道结构；且所述加工成形方法至少包括下述步骤：
s1、确定多个受力分析区域，所述受力分析区域依据待加工的金属双极板所需的受力情况确定；
s2、逐一对各个受力分析区域进行解析以获取各自对应的受力参数，所述受力参数用于表征各个受力分析区域对应的二阶流道分段结构的设计参数；
s3、基于所述设计参数，确定二阶流道结构的全部设计参数；
s4、通过软模成形工艺构造金属双极板；所述软模成形工艺中采用橡胶垫与凸模配合形成二阶流道结构。
可选的，在其中一个实施例中，所述橡胶垫为聚氨酯橡胶垫。
可选的，在其中一个实施例中，所述对受力分析区域进行解析的过程包括：首选创建每一受力分析区域各自对应的应力平衡微分模型，其次，基于每一受力分析区域各自对应的屈服准则，确定出每一受力分析区域各自对应的受力分析模型；所述二阶流道结构至少被分为7个受力分析区域。
可选的，在其中一个实施例中，所述对受力分析区域进行解析的具体过程包括：
s21、创建第一受力分析区域对应的应力平衡微分模型，所述应力平衡微分模型公式为：
对应的受力分析模型为：
其中，第一受力分析区域板厚t1＝t0，t0为初始板厚，
s22、创建第二受力分析区域对应的应力平衡微分模型，所述应力平衡微分模型公式为：
对应的屈服准则方程:
根据上述公式，得到：
由于第一受力分析区域最终厚度等于二受力分析区域的初始厚度，最终得到对应的受力分析模型为
其中，t2为第二受力分析区域板厚，r1为第二受力分析区域板厚的圆角半径，σ2为第二受力分析区域对应的的径向拉应力，p为板材受到的垂直应力；a2为第二受力分析区域与第三受力分析区域宽度方向的分界点；t1-f为第一受力分析区域板材的最终厚度；t2-f为第二受力分析区域板材的最终厚度，θ1为第二受力分析区域板材的转角角度；第二受力分析区域内所述中间变量x其范围为x∈[a1，a2]；
s23、创建第三受力分析区域对应的应力平衡微分模型，所述应力平衡微分模型公式为：
对应的屈服准则方程:
由于第二受力分析区域的最终厚度等于第三受力分析区域的初始厚度，即t3-i＝t2-f，根据上述公式，得到对应的受力分析模型为：
其中，t3为第三受力分析区域板厚，r1为第二受力分析区域板厚的圆角半径，σ3为第三受力分析区域对应的的径向拉应力，p为板材受到的垂直应力，a3为第三受力分析区域与第四受力分析区域宽度方向的分界点；t3-f为第三受力分析区域板材的最终厚度；第三受力分析区域内所述中间变量x其范围为x∈[a2，a3]；l2为第三受力分析区域板材的长度；
s24、创建第四受力分析区域对应的第一应力平衡微分模型，所述第一应力平衡微分模型公式：
对应的屈服准则方程:
由于第三受力分析区域的最终厚度等于第四受力分析区域的初始厚度，即t4-i＝t3-f，根据上述公式，得到：
创建第四受力分析区域对应的第二应力平衡微分模型，所述第二应力平衡微分模型公式：
对应的屈服准则方程:
由于第四受力分析区域的最终厚度等于第五受力分析区域的初始厚度即t4-f＝t5-i，根据上述公式，得到：
联合公式(12)与(15)，获得对应的受力分析模型为
其中，at-min为板材的厚度最薄的位置；t4为第四受力分析区域板厚，r2为第四受力分析区域板厚的圆角半径，σ4为第四受力分析区域对应的的径向拉应力，a4为第四受力分析区域与第五受力分析区域宽度方向的分界点；t5-i为第五受力分析区域板材的初始厚度，θ2为第四受力分析区域的转角角度，θ3为第六受力分析区域的转角角度；第四受力分析区域内所述中间变量x其范围为x∈[a3，a4]；
s25、创建第五受力分析区域对应的应力平衡微分模型，所述应力平衡微分模型公式为：
对应的屈服准则方程:
由于第五受力分析区域的最终厚度等于第六受力分析区域的初始厚度即t5-f＝t6-i，根据上述公式，得到对应的受力分析模型为：
其中，t5为第五受力分析区域板厚，θ3为第五受力分析区域板厚的转角角度，σ5为第五受力分析区域对应的的径向拉应力，a5为第五受力分析区域与第六受力分析区域宽度方向的分界点；第五受力分析区域内所述中间变量x其范围为x∈[a4，a5]；
s26、创建第六受力分析区域对应的应力平衡微分模型，所述应力平衡微分模型公式为：
对应的屈服准则方程:
由于第六受力分析区域的最终厚度等于第七受力分析区域的初始厚度即t7-i＝t6-f，根据上述公式，得到对应的受力分析模型为：
其中，t6为第六受力分析区域板厚，r3为第六受力分析区域板厚的圆角半径，σ6为第六受力分析区域对应的的径向拉应力，a6为第六受力分析区域与第七受力分析区域宽度方向的分界点，l3为第五受力分析区域板材的长度；；
s27、创建第七受力分析区域对应的应力平衡微分模型，所述应力平衡微分模型公式为：
根据上述公式，得到对应的受力分析模型为：
其中，t7为第七受力分析区域板厚，σ7第七受力分析区域对应的的径向拉应力，l4为第七受力分析区域板材的长度。
基于相同的发明构思，本发明还提出了一种聚氨酯软模成形金属双极板加工成形的仿真方法，至少包括下述步骤：基于所确定二阶流道结构的全部设计参数依次构造聚氨酯软模有限元模型、钢制凸模模具有限元模型、金属板材有限元模型进行有限元分析，并通过限元仿真结果选择金属双极板结构的制造模具。
基于相同的发明构思，本发明还提出了一种聚氨酯软模成形金属双极板加工成形分析系统，其适用于对金属双极板加工成形参数进行分析，所述金属双极板至少具有若干二阶流道结构；其特征在于：至少包括：
区域划分单元，其用于确定多个受力分析区域，所述受力分析区域依据待加工的金属双极板所需的受力情况确定；
受力分析单元，其用于逐一对各个受力分析区域进行解析以获取各自对应的受力参数，所述受力参数用于表征各个受力分析区域对应的二阶流道分段结构的设计参数；
参数获取单元，其用于基于所述设计参数，确定二阶流道结构的全部设计参数。
其中，受力分析单元中对受力分析区域进行解析的过程包括：首选创建每一受力分析区域各自对应的应力平衡微分模型，其次，基于每一受力分析区域各自对应的屈服准则，确定出每一受力分析区域各自对应的受力分析模型。
实施本发明实施例，将具有如下有益效果：
本发明适用于采用金属材料制作双极板，其采用软模冲压工艺生产金属双极板，可以大幅降低生产成本；且采用采用具有更高功率密度的二阶流道结构代替传统的一阶流道，来提高气体利用率和反应效率。综上可知本发明以低成本高效率的方式成形金属双极板。这对质子交换膜燃料电池技术的发展，乃至新能源应用的推动具有重要意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
其中：
图1为一个实施例中实施技术流程图；
图2a-图2b均为一个实施例中所述二阶流道结构结构示意图；
图3a-图3b均为一个实施例中所述弯角流道结构结构示意图；
图4为一个实施例中所述的第一受力分析区域的应力情况示意图；
图5为一个实施例中所述的第二受力分析区域的应力情况示意图；
图6为一个实施例中所述的第三受力分析区域的应力情况示意图；
图7a-图7b为一个实施例中所述的第四受力分析区域的应力情况示意图；
图8为一个实施例中所述的第五受力分析区域的应力情况示意图；
图9为一个实施例中所述的第六受力分析区域的应力情况示意图；
图10为一个实施例中所述的第七受力分析区域的应力情况示意图；
图11为一个实施例中所述的七个受力分析区域所形成的板材分区情况示意图；
图12a、12b分别为一个实施例中所述的九/七个受力分析区域分析示意简图；
图13为一个实施例中所述有限元分析的有限元模型示意图；
图14为一个实施例中所述有限元分析的分析结果图；
图15为一个实施例中所述的冲压试验所形成的二阶流道微观切面图；
图中：1、一阶流道结构，2、尖部结构(金字塔状结构)，3、尖部结构(坡屋顶状结构)，4、流道宽度，5、内倒角，6、外倒角，7、转角，8、镜像对称线，9、倒圆角；
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。可以理解，本发明所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一元件称为第二元件，且类似地，可将第二元件为第一元件。第一元件和第二元件两者都是元件，但其不是同一元件。
鉴于现有技术中，虽然质子交换膜燃料电池是一种依靠化学转换的发电装置，在交通、通讯、电子装备等领域具有广泛的应用前景；且双极板是将质子交换膜燃料电池串联起来组装成一个整体电池堆的关键部件，因此有必要对双极板技术进行进一步研发。但是现今质子交换膜燃料电池的进一步广泛应用却仍然受到功率密度的限制。
因此，在本实施例中，特提出了一种聚氨酯软模成形金属双极板加工成形方法，如图1所示，其特征在于，所述的金属双极板至少具有若干二阶流道结构；且所述加工成形方法至少包括下述步骤：s1、确定多个受力分析区域，所述受力分析区域依据待加工的金属双极板所需的受力情况确定；s2、逐一对各个受力分析区域进行解析以获取各自对应的受力参数，所述受力参数用于表征各个受力分析区域对应的二阶流道分段结构的设计参数；s3、基于所述设计参数，确定二阶流道结构的全部设计参数；s4、通过软模成形工艺构造金属双极板；所述软模成形工艺中采用橡胶垫与凸模配合形成二阶流道结构。基于上述方案可知，采用本发明所述的软模成形技术成形新型金属双极板，并通过获取调整参数来指导实际，可以大幅降低生产成本；且采用二阶流道结构设计可以提高气体利用率和反应效率；总之其可以为生产二阶流道金属双极板提供理论支持。
在一些具体的实施例中，所述二阶流道结构具有呈周期状分布的波纹起伏结构，所述波纹起伏结构包括一阶流道结构1以及在所述一阶流道结构上顶部形成向中心靠拢的尖部结构；所述一阶流道结构采用现有常规一阶流道结构设计，如直通道、蛇形、螺旋形、交指型和网格形等结构；优选的，如图2a、2b所示，所述尖部结构为点状或线状分布结构特征；进一步优选的，所述尖部结构为金字塔状2或坡屋顶状结构3。之所以采用呈周期状分布的波纹起伏结构是因为该结构会使气体在流动过程中产生垂直方向的强制对流，从而增加气体的驻留时间；那么当二阶流道应用在金属双极板上时，可以提高气体的利用率和反应效率。
在一些更具体的实施例中，经过所述软模冲压工艺成形的二阶流道金属双极板，其二阶流道结构参数试验证明：采用下述内容其成形性效果更好，具体的：二阶流道结构整体的长度应大于7mm，流道宽度应大于1mm，流道的间距应大于1.3mm；第一阶流道和第二阶结构即所述尖部结构的高度比应维持在1:1；第二阶结构的边倒角应使二阶流道的顶部形状为点状或者线状时维持最大；且第二阶结构相互间的距离可以为0，以更好的实现反复的周期性的起伏结构(当第二阶结构的间距减少时，板材上就能够有更多数量的第二阶结构，气体的强制对流效果会更好。)针对上述内容，用户按照实际试验或者使用需求进行设计方案的选择。
在一些更具体的实施例中，所述金属双极板在设置弯角流道结构时，验证明：采用下述内容成形性，效果更好：弯角流道结构是转角7角度为90°时，弯角流道的成形性最好；流道结构的流道宽度4越大，成形性越好；弯角流道的内倒角5为1mm时，弯角流道具有良好的成形性；内倒角越大，弯角流道成形性越差；内倒角5、外倒角6的比例为1:1时，弯角流道成形性最好。参看附图3a-b(同时在图中示出了镜像对称线8和倒圆角9)针对上述内容，用户按照实际试验或者使用需求进行设计方案的选择。
在一些更具体的实施例中，所述橡胶垫(软模)为聚氨酯橡胶垫；之所以采用聚氨酯橡胶是因为：在软模成形时，所选用的凹凸模具的成形能力是不同的，申请人研究发现，聚氨酯橡胶与凸模配合可以更好地成形流道；因此，选择聚氨酯橡胶垫作为凸模，以实现在施加载荷时，板材在金属模具的压力下被聚氨酯橡胶连续挤压。
实际上，软模成形工艺中，不同变形区域的应力状态可能不同；因此需要根据设计的板材所需的受力情况，将二阶流道结构分成了7个不同的分析区；以研究不同形状二阶流道的成形性规律，由于这些区域是由直线区和弯角区组成，所以通过获取每个区域的参数并进行调整，可以得到成形性好的不同形状的二阶流道结构即本方法适用于对不同形状的二阶流道结构进行解析。
基于上述原理以及设计目的，所述对受力分析区域进行解析的过程包括：首选创建每一受力分析区域各自对应的应力平衡微分模型，其次，基于每一受力分析区域各自对应的屈服准则，确定出每一受力分析区域各自对应的受力(主应力)分析模型；即所述二阶流道结构至少被分为7个受力分析区域且在分析过程中接触面上产生的摩擦影响这个分析的最终结果；分别包括第一受力分析区域、第二受力分析区域、第三受力分析区域、第四受力分析区域、第五受力分析区域、第六受力分析区域、第七受力分析区域；具体过程包括：
s21、创建第一受力分析区域(areai)对应的应力平衡微分模型，所述第一受力分析区域的材料一般位于第二阶结构的底部；在冲头压力的作用下，它被橡胶直接压制；因此材料向外流动的趋势受到上下表面摩擦的制约，根据应力作用情况，如图4所示，则得到应力平衡微分模型公式为：
应力分析的微单元设：σ1-i＝0，得对应的受力分析模型为：
其中，第一受力分析区域板厚t1＝t0，t0为初始板厚，
s22、创建第二受力分析区域(areaii)对应的应力平衡微分模型：鉴于与第一受力分析区域相邻的第二受力分析区域的材料的变形更加复杂；因此除了具有与第一受力分析区域相同的特征外，其厚度还受到凸模和橡胶的影响(即该区域会产生塑性变形，材料的厚度减少)；如图5所示，则得到了坐标系下x方向上的应力平衡微分模型公式为：
根据帕斯卡定律，当不可压缩的刚性流体中的任何一点受到外力的作用而承受不断增加的压力时，这种不断增加的压力会瞬间传递到流体的每一点。所以p的大小将不随θ1的变化而发生变化，得到对应的屈服准则方程:
根据上述公式，得到：
由于处于第一受力分析区域与第二受力分析区域的边界时，即此处的转角θ1看成0，则第一受力分析区域等于二受力分析区域的初始厚度，最终得到
其中，t2为第二受力分析区域板厚，r1为第二受力分析区域板厚的圆角半径，σ2为第二受力分析区域对应的的径向拉应力，p为板材受到的垂直应力；a2为第二受力分析区域与第三受力分析区域宽度方向的分界点；t1-f为第一受力分析区域板材的最终厚度；t2-f为第二受力分析区域板材的最终厚度，θ1为第二受力分析区域板材的转角角度；第二受力分析区域内所述中间变量x其范围为x∈[a1，a2]；
s23、创建第三受力分析区域(areaiii)对应的应力平衡微分模型：鉴于与第二受力分析区域相邻的第三受力分析区域的材料会发生塑性变形，板的厚度也会减小，
如图6所示，所述应力平衡微分模型公式为：
对应的屈服准则方程:
在第二受力分析区域与第三受力分析区域的边界时，第二受力分析区域的最终厚度等于第三受力分析区域的初始厚度，即t3-i＝t2-f，根据上述公式，得到：
其中，t3为第三受力分析区域板厚，r1为第二受力分析区域板厚的圆角半径，σ3为第三受力分析区域对应的的径向拉应力，p为板材受到的垂直应力，a3为第三受力分析区域与第四受力分析区域宽度方向的分界点；t3-f为第三受力分析区域板材的最终厚度；第三受力分析区域内所述中间变量x其范围为x∈[a2，a3]；l2为第三受力分析区域板材的长度；
s24、由于在第四受力分析区域内，材料承受较大的径向拉应力、冲头的压力以及橡胶弹性变形所产生的压力；因此这个区域会发生塑性变形，且板材的最大减薄量在该区域产生，该区域也是软模冲压过程中的“危险截面”，也就是说该区域最左边和最右边的微单元并没有受到相同的应力作用；因此根据应力作用情况得到的公式也会有所不同；且当这个区域的x值改变时，两条厚度曲线会在某一点(整个流道厚度最薄的地方)相交。
基于上述原理，创建第四受力分析区域(areaiv)对应的第一应力平衡微分模型，如图7a所示，所述第一应力平衡微分模型公式：
对应的屈服准则方程:
由于在第三受力分析区域与第四受力分析区域的边界，第三受力分析区域的最终厚度等于第四受力分析区域的初始厚度，最终得到即t4-i＝t3-f，根据上述公式，得到：
创建第四受力分析区域对应的第二应力平衡微分模型，如图7b所示，所述第二应力平衡微分模型公式：
对应的屈服准则方程:
由于在第四受力分析区域与第五受力分析区域的边界时，第四受力分析区域的最终厚度等于第五受力分析区域的初始厚度，最终得到即t4-f＝t5-i，根据上述公式，得到：
鉴于两侧的微单元公式的图表征了不同的趋势，则联合公式(12)与(15)，获得对应的受力分析模型为
其中，at-min为板材的厚度最薄的位置；t4为第四受力分析区域板厚，r2为第四受力分析区域板厚的圆角半径，σ4为第四受力分析区域对应的的径向拉应力，a4为第四受力分析区域与第五受力分析区域宽度方向的分界点；t5-i为第五受力分析区域板材的初始厚度，θ2为第四受力分析区域的转角角度，θ3为第六受力分析区域的转角角度；第四受力分析区域内所述中间变量x其范围为x∈[a3，a4]；
s25、创建第五受力分析区域(areav)对应的应力平衡微分模型：该区域同样会产生塑性变形且该区域板材的厚度会增加，如图8，所述应力平衡微分模型公式为：
对应的屈服准则方程：
由于在第五受力分析区域与第六受力分析区域的边界，第五受力分析区域的最终厚度等于第六受力分析区域的初始厚度，最终得到t5-f＝t6-i，根据上述公式，得到对应的受力分析模型为：
其中，t5为第五受力分析区域板厚，θ3为第五受力分析区域板厚的转角角度，σ5为第五受力分析区域对应的的径向拉应力，a5为第五受力分析区域与第六受力分析区域宽度方向的分界点；第五受力分析区域内所述中间变量x其范围为x∈[a4，a5]；
s26、创建第六受力分析区域(areavi)对应的应力平衡微分模型：此区域考虑为弯角区域，板材的厚度继续上升且当板材经过这个区域变形后，厚度将回复到初始厚度；如图9所示，所述应力平衡微分模型公式为：
对应的屈服准则方程:
由于在第六受力分析区域与第七受力分析区域的边界，第六受力分析区域的最终厚度等于第七受力分析区域的初始厚度，最终得到t7-i＝t6-f，根据上述公式，得到对应的受力分析模型为：
其中，t6为第六受力分析区域板厚，r3为第六受力分析区域板厚的圆角半径，σ6为第六受力分析区域对应的的径向拉应力，a6为第六受力分析区域与第七受力分析区域宽度方向的分界点，l3为第五受力分析区域板材的长度；
s27、创建第七受力分析区域(areavii)对应的应力平衡微分模型，如图10所示，所述应力平衡微分模型公式为：
由于应力作用情况不满足屈服准则，该区域不出现塑性变形。因此，板材的厚度不变；则根据上述公式，得到对应的受力分析模型为：
其中，t7为第七受力分析区域板厚，σ7第七受力分析区域对应的径向拉应力，l4为第七受力分析区域板材的长度，σ6-f为第六受力分析区域对应的最终径向拉应力，σ7-f为第七受力分析区域对应的最终径向拉应力。
通过上述步骤可知，如图10，采用主应力法解析原理获取双极板板材的厚度减薄规律，且通过上述内容可使得板材的应力集中和破裂倾向被有效进行预测，进而为软模成形技术应用于生产二阶流道金属双极板提供了技术支持；同时我们也发现双极板板材的最大减薄量在第四受力分析区域产生，通过本技术形成的板材的整体板材减薄较均匀，应力集中与破裂倾向较小。
另，如图11所示，可以确定二阶流道区域划分的本质是直线区域与弯角区域交替出现的，每一个弯角区域都被直线区域分隔开；直线区域的解析过程大致相同，弯角区域的解析过程也大致相同(除了板材厚度最薄点出现的区域)。因此将分析区域划分为七个区域的解析过程可以满足大多数二阶流道结构的解析。同时需要说明的是：即使出现比上述二阶流道结构更加复杂的流道结构，依然可以通过这套解析方法得到最终的解析结果。具体的：图12a-12b，对应的流道结构可被划分为9个受力分析区域，但是和7个受力分析区域的解析相比，本质上只是增加了一个直线区域和一个弯角区域(区域八和区域九)，而这两个区域的解析公式依然可以沿用七区域解析中直线区域和弯角区域的主应力法解析公式进行解析。即，即使遇到更加复杂结构的二阶流道，所述方案也可以满足解析要求。只需要基于分析需求，重复运用七区域解析中的某一个区域或几个区域的主应力法解析过程，得出整个流道结构解析结果即可。
在对二阶流道的结构参数进行研究后，基于聚氨酯的金属双极板软模成形工艺过程也可以确定；为了验证主应力法解析的准确性，我们对整个软模冲压过程进行了有限元仿真模拟实验；即基于相同的发明构思，本发明还提出了一种聚氨酯软模成形金属双极板加工成形的仿真方法；至少包括下述步骤：基于所确定二阶流道结构的全部设计参数依次构造聚氨酯软模有限元模型、钢制凸模模具有限元模型、金属板材有限元模型进行有限元分析，并通过限元仿真结果选择金属双极板结构的制造模具。
在一些具体的实施例中，如图13，使用了abaqus软件建立了金属双极板软模成形过程的三维有限元模型，从二阶流道宽度、二阶流道长度、二阶流道边沿倒角、二阶流道深度分配比例以及二阶流道几何形状参数等多个角度对双极板成形过程进行分析；具体的：构造了聚氨酯软模有限元模型、钢制凸模模具有限元模型、金属板材有限元模型；其中，钢制模具有限元模型被放置在整个装置的最上方(二阶流道的形状和参数都展现在模具上；在模拟中，模具被定义为不可变形刚性体；具体尺寸参数可为60mm*60mm。)；金属板材有限元模型被放置在钢制模具有限元模型和聚氨酯软模有限元模型的中间；在模拟过程中，板材被模具挤压的同时受到聚氨酯橡胶的弹力，从而获得所需的形状(板材被定义为不锈钢304。具体尺寸参数为60mm*60mm*0.1mm。)；聚氨酯橡胶有限元模型作为软模，被放置在整个装置的最底部(模拟中，聚氨酯被定义为超弹性体。具体尺寸参数为60mm*60mm*60mm。)；由于聚氨酯具有较高的强度和超弹性，可在较宽的硬度范围内保持较高的弹性，所以板材的成形效果好，划痕少且板材平整度较高；聚氨酯的耐磨性较高，约为天然橡胶的2～10倍，同时具有优异的耐油脂及化学品性，耐辐射性，耐氧及臭氧性，耐疲劳性，抗冲击性和抗震动性。这使得聚氨酯具有很高的使用寿命；同时聚氨酯无需加工，模塑和加工成本低，这使得双极板的生产成本大幅降低。
如图14所示，有限元模拟可以得到的结果主要有两种:位移云图和应力云图。位移云图可以直观的显示板材的成形结果；应力云图可以显示出板材各部分的应力情况。通过本次有限元模拟仿真，我们发现板材成形效果较好。具体的用户可以依据根据有限元模拟结果，选择成形效果较好的双极板结构制造模具。
基于上述设计内容，本申请还进行了冲压试验，所采用的冲压试验装置包括四部分:钢制模具，聚氨酯软模，金属板材和容框；并通过一台压力机来提供所需的压力，该压力机提供的压力直接作用在钢制模具上；在实验过程中：装置各部分的尺寸参数与有限元模拟参数相同；钢制模具由模具钢制成；容框包裹且紧紧贴合在钢制模具、金属板材和聚氨酯的外围(目的是限制它们在压力方向以外其他任何方向上的位移)。；同时钢制模具，金属板材与聚氨酯凹模的总高度略高于容框；在压力机作用下，钢制模具被向下挤压，使板材发生塑性变形，随着模具和板材在压力作用下向下挤压，聚氨酯的回弹力越来越大，均匀的加载在板材上。在模具和聚氨酯的挤压下，板材被成形为设计的形状。整个过程可使传统工艺中的多个工序合并进行。
如图15所示，在冲压试验结束后，整个流道被清晰地成形在板材之上。我们将板材沿二阶流道中心位置进行切割，并放在电子显微镜下观察，得到了二阶流道微观切面图。同时，对有限元模拟结果的板材相同位置进行描点绘制形貌曲线与冲压试验结果进行对比。经过实验发现，经过宏观观察发现，板材成形效果与设计形状高度一致；经过微观对比发现，实际冲压实验结果与有限元仿真结果高度一致。这为软模成形技术应用于生产二阶流道金属双极板提供了数据和实验支持。
基于相同的发明构思，本发明还提出了一种聚氨酯软模成形金属双极板加工成形分析系统，其适用于对金属双极板加工成形参数进行分析，所述金属双极板至少具有若干二阶流道结构；其特征在于：至少包括：
区域划分单元，其用于确定多个受力分析区域，所述受力分析区域依据待加工的金属双极板所需的受力情况确定；
受力分析单元，其用于逐一对各个受力分析区域进行解析以获取各自对应的受力参数，所述受力参数用于表征各个受力分析区域对应的二阶流道分段结构的设计参数；
参数获取单元，其用于基于所述设计参数，确定二阶流道结构的全部设计参数。
其中，受力分析单元中对受力分析区域进行解析的过程包括：首选创建每一受力分析区域各自对应的应力平衡微分模型，其次，基于每一受力分析区域各自对应的屈服准则，确定出每一受力分析区域各自对应的受力分析模型。进一步的分析方法参见方法部分的相应内容。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
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