一种基于数值优化的多孔金属纤维烧结板模压装置

摘要

本发明公开了一种基于数值优化的多孔金属纤维烧结板模压装置，模压装置依次由底板、可调夹板、配合夹板、顶部盖板同轴叠加，并由分布在装置四角的螺栓和螺母紧固组成，所述可调夹板、配合夹板的中部设置有形成尺寸相同的矩形通孔，所述顶部盖板中部凸出设置有与所述矩形通孔相匹配的矩形凸台，还包括由至少两部分拼接而成的平板状拓扑挡块，各部分拼接处为曲线，所述曲线形状由根据模拟PMFSF作为甲醇重整制氢反应的催化剂载体时的反应性能得到的氢气浓度分布云图中的氢气浓度分界线切割而成。本发明的模压装置能制造出结构分布合理的多孔金属纤维烧结板，而且具备制备过程简单、适用于工业推广的特点，可用于能源、汽车、化工等诸多行业。

说明书

技术领域

本发明涉及一种模压装置，具体是涉及一种基于数值优化的多孔金属纤维烧结板(PMFSF)模压装置。

背景技术

多孔金属纤维烧结板(PMFSF)作为一种新型的多孔金属材料，它具有三维网状结构、高精度全连通的孔径、极高的孔隙率、较低的压力损失、优良的延展性等等优良的性质，适合作为催化剂的载体、过滤材料、隔音材料等，广泛的应用于石油、化工、电子、汽车、机械等诸多行业。PMFSF相比于泡沫金属、丝网材料等传统多孔材料，具有高强度、使用寿命长、比表面积大等特点，尤其适用于高温、高压、高腐蚀性等恶劣环境。因此，PMFSF附加值高，具有优异的、独特的性能，具有极大的市场潜力，有着广泛的应用价值。

PMFSF的制备工艺过程主要包括以下五个步骤：纤维加工，纤维模压，纤维烧结，冷却，检测成形。通过模压操作，可以将分散的金属纤维压制成金属毡状物，因此，模压装置是制备PMFSF的关键装置之一。但是当前的模压装置大多只能获得单一孔隙率的PMFSF，该结构与其流场分布不相适应，不能充分满足实际工业生产的要求。为此，华南理工大学申请的专利(申请号CN201410490831.1)公开了一种梯度孔隙结构的PMFSF制造方法，该方法提出了一种简易挡块配合金属凹槽的模压装置，用孔隙率与金属纤维质量的对应关系量取金属纤维，然后利用简易挡块将金属纤维均匀放置于模具凹槽中压制，从而制备具有梯度结构的PMFSF，这种方法为PMFSF孔隙率及拓扑结构的优化提供了更大的灵活性。但该方法只能制造出梯度边界呈直线的PMFSF，难以完全适应PMFSF中的流场分布情况，阻碍了其性能的进一步提升。

发明内容

数值模拟通过数值计算和图像显示的方法可分析出PMFSF内部的流场分布情况，若能根据这一分布情况确定PMFSF中不同孔隙率区域之间的界面，将能使PMFSF的拓扑结构更好地与其中的流场分布相匹配，促进其性能的进一步优化。为此，针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于数值优化的PMFSF模压装置，依据数值仿真结果制备具有优化结构的PMFSF，从而提升了其在工业应用中的实用价值。

本发明采用的技术方案是：

一种基于数值优化的多孔金属纤维烧结板模压装置，依次包括同轴叠加的底板、可调夹板、配合夹板、顶部盖板，并由分布在装置四角的螺栓和螺母紧固组成，所述可调夹板、配合夹板的中部设置有形成尺寸相同的矩形通孔，所述顶部盖板中部凸出设置有与所述矩形通孔相匹配的矩形凸台，所述可调夹板、顶部盖板的下表面和底板的上表面构成了多孔金属纤维烧结板的填充腔，还包括用于压实金属纤维的平板状拓扑挡块，所述拓扑挡块整体为矩形，与所述矩形通孔相匹配，由至少两部分拼接而成，各部分的拼接处为曲线，所述曲线形状由根据模拟PMFSF作为甲醇重整制氢反应的催化剂载体时的反应性能得到的氢气浓度分布云图中的氢气浓度分界线切割而成。

进一步地，所述曲线由根据模拟PMFSF作为甲醇重整制氢反应的催化剂载体时的反应性能得到的氢气浓度分布云图中的氢气浓度分界线切割而成具体包括：

(1)按照实际尺寸利用SolidWorks建立制氢反应装置的几何模型；

(2)将几何模型导入ICEM CFD软件中进行网格划分，获取msh网格文件；

(3)将msh文件导入到Fluent中，按照甲醇重整制氢反应的工况，设定壁面温度、入口流速、出口压力，并设置材料类型、化学反应机理；

(4)使用Couple算法求解本例，直至其计算结果收敛；

(5)通过后处理获取氢气浓度分布云图、出口流速、出口物料浓度分布参数。

(6)选择相应的氢气浓度的分界线将PMFSF划分为若干区域，使用软件提取所选分界线上点的坐标，再根据其坐标用线切割加工方法将一定尺寸的长方体金属块加工为各部分，即得到所述拓扑挡块。

进一步地，所述底板为正方形板，四条边上等距分布有贯穿的螺栓定位孔。

进一步地，所述可调夹板为中空的正方形板，内部为长方体通孔，四条边上等距分布有贯穿的螺栓定位孔。

进一步地，所述配合夹板为厚度大于可调夹板的正方形板，内部为矩形通孔，尺寸与可调夹板相一致，四条边上等距分布有贯穿的螺栓定位孔。

进一步地，所述拓扑挡块的厚度大于配合夹板的厚度。

进一步地，所述顶部盖板为凸台结构，上端为正方形板，四条边上等距分布有贯穿的螺栓定位孔，下端设置有矩形凸台，所述矩形凸台的厚度与配合夹板的厚度保持一致，同时与上端正方形板保持同轴叠加状态。

进一步地，所述螺栓采用公称直径为6mm的内六角螺栓，总计4枚，所述螺母采用公称直径为6mm的六角厚螺母，总计4枚。

进一步地，所述底板、可调夹板、配合夹板、顶部盖板的外轮廓长度与宽度均相同。

进一步地，所述底板、可调夹板、配合夹板、顶部盖板的材料为不锈钢。

相比现有技术，本发明具有的有益效果是：

1)根据数值计算结果来优化多孔金属纤维烧结板的拓扑结构，制备出的烧结板在诸多应用领域都能有使用性能上的提升，并能预测所制备的烧结板的使用性能，例如在甲醇重整制氢反应中，作为催化剂载体，能够有更高的产氢效率；

2)模压装置加工装配简单、成本低廉，根据数值计算的结果从而改变拓扑挡块的形状，理论上可以组成无穷多组拓扑挡块的组合，从而制备无穷多种具有优化结构的多孔金属纤维烧结板结构。

附图说明

图1是本发明实施例1的模压装置爆炸图。

图2是本发明实施例1的模压装置整体示意图。

图3是本发明实施例1的底板结构示意图。

图4是本发明实施例1的可调夹板结构示意图。

图5是本发明实施例1的配合夹板结构示意图。

图6是本发明实施例1的拓扑挡块结构示意图。

图7是本发明实施例2的拓扑挡块结构示意图。

图8是本发明实施例1的顶部盖板结构示意图。

图9是本发明实施例1的数值仿真结果。

图10是本发明实施例2的数值仿真结果。

图11是本发明实施例1的制备PMFSF流程图。

图12是本发明实施例2的制备PMFSF流程图。

图中：1-螺栓；2-底板；3-可调夹板；4-配合夹板；5-拓扑挡块；501-挡块a；502-挡块b；511-挡块c；512-挡块d；513-挡块e ；6-顶部盖板；7-螺母。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

实施例1

如图1所示，一种基于数值优化的多孔金属纤维烧结板模压装置，以金属铜纤维作为金属材料实施，依次包括同轴叠加的底板2、可调夹板3、配合夹板4、顶部盖板6，并由分布在装置四角的螺栓1和螺母7紧固组成，所述可调夹板3、配合夹板4的中部设置有形成尺寸相同的矩形通孔，所述顶部盖板6中部凸出设置有与所述矩形通孔相匹配的矩形凸台，所述可调夹板3、顶部盖板6的下表面和底板2的上表面构成了多孔金属纤维烧结板的填充腔，还包括用于压实金属纤维的平板状拓扑挡块5，所述拓扑挡块5整体为矩形，与所述矩形通孔相匹配，由至少两部分拼接而成，各部分的拼接处为曲线，所述曲线形状由根据模拟PMFSF作为甲醇重整制氢反应的催化剂载体时的反应性能得到的氢气浓度分布云图中的氢气浓度分界线切割而成。螺栓采用公称直径为6mm的内六角螺栓，总计4枚，螺母采用公称直径为6mm的六角厚螺母，总计4枚。在保证装置紧固的条件下，也可增加螺栓定位孔的数目，或替换其他规格的螺栓和螺母。

如图2所示，一种基于数值优化的多孔金属纤维烧结板模压装置的整体装配图，从上到下依次为螺母7、顶部盖板6、配合夹板4、可调夹板3、底板2、螺栓1。其中，顶部盖板6、配合夹板4、可调夹板3、底板2的侧面均位于同一平面上，而截面的外轮廓尺寸则完全一致，也即是，顶部盖板6、配合夹板4、可调夹板3、底板2的长度和宽度均相同，但厚度可以不同。

如图3所示，底板2为正方形板，尺寸为86mm×86mm×5mm，四条边上等距分布有四处贯穿的螺栓定位孔，且螺栓定位孔关于底板2的中心轴对称，螺栓定位孔距两边均为10mm，底板2、可调夹板3、配合夹板4、顶部盖板6的所有螺栓定位孔位置相对应。

如图4所示，可调夹板3由两层中空的正方形板组成，内部为长方体通孔。可调夹板3的外轮廓尺寸为86mm×86mm×1mm，内部长方体通孔尺寸为70mm×40mm×1mm。通过调整可调夹板3的数目即可达到调整多孔金属纤维烧结板的厚度的目的。四条边上等距分布有贯穿的螺栓定位孔，且螺栓定位孔关可调夹板3的中心轴对称，螺栓定位孔距两边均为10mm。

如图5所示，配合夹板4为正方形板，内部为长方体通孔，其外轮廓尺寸为86mm×86mm×2mm，内部长方体通孔尺寸为70mm×40mm×1mm。其厚度比可调夹板3略厚，并与顶部盖板6的长方体凸台厚度保持一致，从而保证模压过程能有效控制多孔金属纤维烧结板的厚度。除厚度外，配合夹板4其他尺寸则与可调夹板3保持一致。四条边上等距分布有贯穿的螺栓定位孔，且螺栓定位孔关于配合夹板4的中心轴对称，螺栓定位孔距两边均为10mm。

如图6所示，拓扑挡块5为两块规则板组成，包括挡块a501和挡块b502，两挡块拼接之后为一长方体，并与配合夹板4中的长方体通孔等长宽，而厚度略大于配合夹板4的厚度，便于在模压多孔金属纤维烧结板之后顺利取出该挡块，两挡块的拼接处为曲线，曲线由图9所示数值优化的结果来确定，其它面为平面。以商用软件ANSYS FLUENT 12.1.2为仿真工具，模拟PMFSF作为甲醇重整制氢反应的催化剂载体时的反应性能，仿真步骤为：

(1)按照实际尺寸利用SolidWorks建立制氢反应装置的几何模型；

(2)将几何模型导入ICEM CFD软件中进行网格划分，获取msh网格文件；

(3)将msh文件导入到Fluent中，按照甲醇重整制氢反应的工况，设定壁面温度、入口流速、出口压力，并设置材料类型、化学反应机理；

(4)使用Couple算法求解本例，直至其计算结果收敛；

(5)通过后处理获取氢气浓度分布云图、出口流速、出口物料浓度分布参数。

(6)选择氢气浓度为70%的分界线将PMFSF划分为两个区域，使用软件提取所选分界线上点的坐标，再根据其坐标用线切割加工方法将一定尺寸的长方体金属块加工为挡块a501和挡块b502两部分，即得到所述拓扑挡块5。

图9为氢气浓度分布云图。图中所标明的曲线为氢气浓度为70%的分界线，在该曲线上方，浓度低于70%；在该曲线下方，浓度高于70%。使用软件提取该曲线上点的坐标，再根据其坐标用线切割加工方法将尺寸为70mm×40mm×4mm的长方体金属块划分为两个部分，即得到拓扑挡块5。

如图8所示，顶部盖板6为凸台结构，上端为正方形板，四条边上等距分布有贯穿的螺栓定位孔，下端为长方形板，下端凸台的厚度与配合夹板4的厚度保持一致，同时与上端正方形板保持同轴叠加状态。顶部盖板6上端凸台的尺寸为70mm×40mm×2mm，上端凸台的尺寸为86mm×86mm×2mm。可调夹板3、顶部盖板6的下表面和底板2的上表面构成了多孔金属纤维烧结板的填充腔，在模压烧结板的过程中金属纤维置于填充腔内，并使用手动压紧装置压实金属纤维。四条边上等距分布有贯穿的螺栓定位孔，且螺栓定位孔关于顶部盖板6的中心轴对称，螺栓定位孔距两边均为10mm。。

所述底板2、可调夹板3、配合夹板4、拓扑挡块5、顶部盖板6均为不锈钢板；所制备的PMFSF为尺寸为70mm×40mm×2mm的铜板。

如图11所示，本发明用于制备PMFSF的过程如下：

(1)保持底板2、可调夹板3、配合夹板4、顶部盖板6为叠加状态且侧面均对齐；

(2)在填充腔内部放置一挡块a501，然后将填充腔剩余部分用孔隙率对应质量的金属纤维均匀放置其中；

(3)在上一步中填充铜纤维的部分，用另一块挡块b502压实，并移开挡块b502；

(4)将所述的挡块a501移走，用同样的方法将其孔隙率对应的金属纤维放置于填充腔中直至所有的金属纤维全部均匀放置于凹槽中；

(5)通过压制板压紧，用螺栓1、螺母7紧固整个模压装置，并用手动锁紧装置锁紧本装置；

(6)最后打开该装置，即可取出其中的金属纤维板。

实施例2

本实施例的螺栓1、底板2、可调夹板3、配合夹板4、拓扑挡块5、顶部盖板6、螺母7的尺寸与实施例1一致，如图7所示，所述拓扑挡块5为三块规则板组成，包括挡块c511、挡块d512、挡块e513，三挡块拼接之后为一长方体，并与配合夹板4中的长方体通孔等长宽，而厚度略大于配合夹板4的厚度，便于在模压多孔金属纤维烧结板之后顺利取出该挡块，各挡块的拼接处为曲线，曲线由图10所示数值优化的结果来确定，其它面为平面。以商用软件ANSYS FLUENT 12.1.2为仿真工具，模拟PMFSF作为甲醇重整制氢反应的催化剂载体时的反应性能，仿真步骤为：

(1)按照实际尺寸利用SolidWorks建立制氢反应装置的几何模型；

(2)将几何模型导入ICEM CFD软件中进行网格划分，获取msh网格文件；

(3)将msh文件导入到Fluent中，按照甲醇重整制氢反应的工况，设定壁面温度、入口流速、出口压力，并设置材料类型、化学反应机理；

(4)使用Couple算法求解本例，直至其计算结果收敛；

(5)通过后处理获取氢气浓度分布云图、出口流速、出口物料浓度分布参数。

(6)选择氢气浓度为40%和70%的分界线将PMFSF划分为三个区域，使用软件提取所选分界线上点的坐标，再根据其坐标用线切割加工方法将一定尺寸的长方体金属块加工为挡块c511、挡块d512、挡块e513三部分，即得到所述拓扑挡块5。

本实施例所依据的数值仿真结果如图10所示。以商用软件ANSYS FLUENT 12.1.2为仿真工具，模拟PMFSF作为甲醇重整制氢反应的催化剂载体时的反应性能，图10为氢气浓度分布云图。图中所标明的曲线从上到下依次为氢气浓度40%、70%的分界线，因此可将PMFSF依据氢气浓度划分为三个区域。使用软件提取两曲线上点的坐标，再根据其坐标用线切割加工方法将尺寸为70mm×40mm×4mm的长方体金属块划分为三个部分，即得到如图7所示拓扑挡块5。

如图12所示，本发明用于制备PMFSF的过程如下：挡块e513

(1)保持底板2、可调夹板3、配合夹板4、顶部盖板6为叠加状态且侧面均对齐；

(2)将挡块c511、挡块d512并列置于装置填充腔一侧，占据填充腔的大半部分，然后将填充腔剩余部分用孔隙率对应质量的金属纤维均匀放置其中，压实该部分；

(3)将所述的挡块c511移走，并在填充腔另一侧放置挡块e513，用同样的方法将其孔隙率对应的金属纤维放置于填充腔中，压实该部分；

(4)移走挡块e513，用同样的方法将其孔隙率对应的金属纤维放置于填充腔中剩余的空间，直至所有的金属纤维全部均匀放置于凹槽中；

(5)通过压制板压紧，并用螺栓1、螺母7紧固整个模压装置，并用手动锁紧装置锁紧本装置；

(6)打开该装置，即可取出其中的金属纤维板。

上述实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。