钒电池电堆端板的变形预测与拓扑优化

doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2026.05.183

工程设计学报

2026, Vol. 33

Issue (2): 242-253 DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2026.05.183

优化设计

钒电池电堆端板的变形预测与拓扑优化

王友¹(

),赵永恒¹,史小虎²,余龙海²,孙彦招³

^1.湖北文理学院机械工程学院，湖北襄阳 441053
^2.大力储能技术湖北有限责任公司，湖北襄阳 441000
^3.湖北文理学院汽车与交通工程学院，湖北襄阳 441053

Deformation prediction and topology optimization of end plates in vanadium flow battery stacks

You WANG¹(

),Yongheng ZHAO¹,Xiaohu SHI²,Longhai YU²,Yanzhao SUN³

^1.School of Mechanical Engineering, Hubei University of Arts and Science, Xiangyang 441053, China
^2.Dali Energy Storage Technology Hubei Co. , Ltd. , Xiangyang 441000, China
^3.School of Automotive and Traffic Engineering, Hubei University of Arts and Science, Xiangyang 441053, China

全文: PDF(5332 KB) HTML

摘要：

为提升大功率钒电池电堆的能量密度，以及解决其端板结构质量大、缺乏高效精确设计方法的问题，提出了一种集变形预测、轻量化设计及制造工艺约束于一体的钒电池电堆端板设计方法。首先，提出了端板压力载荷理论计算方法，构建了弹簧及螺柱的数值分析模型，建立了耦合压力加载、弹簧预紧、螺柱锁止和压力卸载等装配过程的端板受力变形数值模拟预测方法，并通过试验证实了该方法具有较高的预测精度。随后，通过引入制造工艺及装配位移约束，建立了基于变密度法的端板拓扑优化方法，实现了端板轻量化设计的高效迭代计算。优化后端板的质量减小了44.00%，应力满足强度要求，且位移分布更均匀。最后，揭示了螺柱预紧力的空间分布规律以及端板构型对螺柱预紧力与弹簧压缩变形的影响规律。结果显示：距离端板对称中心越近，螺柱预紧力越大，最大变化率为36.06%；端板构型对弹簧压缩变形的影响较小。所提出的方法可在满足强度与刚度要求的前提下，实现钒电池电堆端板的高效轻量化设计，具备重要的工程应用价值。

关键词： 钒电池; 端板; 变形行为; 数值模拟; 拓扑优化

Abstract:

To enhance the energy density of high-power vanadium flow battery stacks and address the issues of excessive structural mass coupled with the absence of efficient and precise design methods for end plates, a design method for the end plate of vanadium battery flow stacks is proposed, which integrates deformation prediction, lightweight design and manufacturing process constraints. Firstly, a theoretical method for calculating end plate pressure loads was proposed, and the numerical analysis models for springs and studs were constructed. Then, a numerical simulation method for predicting mechanical deformation of the end plate was established by integrating the complete assembly processes, including pressure loading, spring pre-tightening, stud locking and pressure unloading. Experimental results validated that this method had high prediction accuracy. Subsequently, by introducing manufacturing process and assembly displacement constraints, a topology optimization method enabling efficient iterative computation for lightweight end plate design was developed based on the variable density method. The optimized end plate yielded a 44.00% decrease in mass, maintained stress within the strength requirements, and exhibited a more uniform displacement distribution. Finally, the spatial distribution law of stud preload and the influence law of end plate configuration on stud preload and spring compression deformation were revealed. The results showed that the closer the distance to the end plate symmetry center, the greater the stud preload, with the maximum variation rate being 36.06%; the end plate configuration had a smaller influence on the spring compression deformation. The proposed method can achieve efficient lightweight design of vanadium flow battery stack end plates while meeting strength and stiffness requirements, which has significant engineering application value.

Key words: vanadium flow battery end plate deformation behavior numerical simulation topology optimization

收稿日期: 2025-09-02 出版日期: 2026-04-28

CLC:

TH 12

基金资助: 湖北省自然科学基金联合基金资助项目(2023AFD036);湖北省教育厅科学研究计划指导性项目(B2023149)

作者简介: 王　友（1987—），男，副教授，博士，从事数字化设计与数值模拟研究，E-mail: wyslllo@sina.com，https://orcid.org/0000-0002-9049-1151

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王友,赵永恒,史小虎,余龙海,孙彦招. 钒电池电堆端板的变形预测与拓扑优化[J]. 工程设计学报, 2026, 33(2): 242-253.

You WANG,Yongheng ZHAO,Xiaohu SHI,Longhai YU,Yanzhao SUN. Deformation prediction and topology optimization of end plates in vanadium flow battery stacks[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2026, 33(2): 242-253.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2026.05.183 或 https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2026/V33/I2/242

图1 初始构型端板的1/4几何模型

参数	数值	参数	数值
$ρ$ /( $k g / m 3$ )	2 700	n	0.79
$E$ /GPa	71.0	m	1.34
$v$	0.33	$θ m$ /K	877.6
$D$ /MPa	284.1	$θ t$ /K	293.0
B	247.83

表1 6061-T6铝合金材料参数

图2 弹簧刚度数值分析模型

图3 弹簧刚度曲线

图4 初始构型端板受力变形数值模拟模型

图5 初始构型端板的应力分布云图

图6 初始构型端板的位移分布云图

表2 初始构型端板的数值模拟结果

图7 预优化构型端板的1/4几何模型

表3 预优化构型端板的拓扑优化结果

图8 优化构型端板的应力分布云图

图9 优化构型端板的位移分布云图

图10 优化构型端板的整体结构

图11 不同构型端板的螺柱预紧力变化曲线

表4 压力卸载后的螺柱预紧力及其变化率

图12 不同构型端板的弹簧压缩量变化曲线

图13 压力卸载阶段的弹簧压缩量变化曲线

表5 压力卸载后的弹簧压缩量及其变化率

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