储氢合金性能测试仪的结构设计

　　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：

　　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; n 为储氢合金氢含量的变化， n>0 表示储氢合金处于吸氢状态， n<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。