本发明涉及一种燃料电池电堆的疲劳寿命预测方法及系统，尤其涉及一种跨尺度多物理场耦合作用下燃料电池电堆的疲劳寿命预测方法及系统。
背景技术：
1、清洁能源的发展得到了广泛的关注，包括：太阳能、潮汐能、风能及氢能等，其中质子交换膜燃料电池凭借其原理简单、运行平稳、低噪音、转换率高等优点，渐渐得到了各大汽车厂商的认同，进而各大汽车厂商相继推出了不同型号的燃料电池汽车。
2、在燃料电池汽车的日常运行中，燃料电池电堆受到了多种物理场的耦合作用，燃料电池内部的应力场呈现出了及其复杂的分布特征，导致预测燃料电池电堆疲劳寿命的难度急剧增加。目前，大多数研究人员利用cdf软件及fem软件对燃料电池进行电化学场及热力场下的燃料电池的虚拟试验，很少有研究涉及到随机振动场、磁场及声场的耦合作用下的燃料电池电堆的疲劳寿命研究，更没有公开技术将多物理场下的微观尺度的燃料电池参数与宏观燃料电池疲劳寿命预测模型进行耦合，导致最后的寿命预测结果与实际情况具有较大的偏差。
3、因此，需要寻求一种在跨尺度多物理场耦合作用下，实现精准预测燃料电池电堆疲劳寿命的方法。
技术实现思路
1、发明目的：本发明目的是提供一种跨尺度多物理场耦合作用下燃料电池电堆的疲劳寿命预测方法及系统，充分考虑了质子交换膜燃料电池电堆在实际运行状态下的多物理场的耦合作用，更准确、高效地预测燃料电池电堆的疲劳寿命。
2、技术方案：本发明包括以下步骤：
3、建立燃料电池电堆三维模型；
4、基于三维模型，建立燃料电池电堆的有限元模型；
5、在微观尺度对燃料电池进行多物理场仿真获得宏观多物理场建模所需参数；
6、基于有限元模型，考虑燃料电池在实际运行过程中涉及到的多种物理场进行耦合分析计算；
7、计算得到在耦合物理场条件下的燃料电池内部的温度场、应力场及电流密度分布情况；
8、基于电池内部的应力场分布，预测燃料电池电堆的疲劳寿命。
9、所述燃料电池电堆三维模型包括：双极板、阴极/阳极流道、阴极/阳极气体扩散层、阴极/阳极催化剂层以及质子交换膜。
10、所述有限元模型中，阴极/阳极气体扩散层、阴极/阳极催化剂层以及质子交换膜具有不同的网格尺寸。
11、所述有限元模型中，双极板为实体网格，其余部件为流体网格。
12、所述多物理场包括：振动场、磁场、声场、温度场、电化学场。
13、所述宏观多物理场建模所需参数包括：开路电压、阴极/阳极参考交换电流密度、各组分气体的扩散参考系数、气体扩散层/催化层的孔隙率、各部件密度、各部件比热容、各部件导热率、各部件电导率。
14、所述宏观多物理场建模所需参数的获得过程为：
15、通过多组分多相伪势lb模型进行微观多物理场多相流模拟，采用多松弛碰撞算子，各组分的密度分布函数的演化方程描述为：
16、
17、其中，f和feq分别表示的是密度分布函数以及密度平衡分布函数，下标k表示各个组分，a和β分别表示沿着a方向和沿着β方向；fk,a表示速度空间中的作用力项；δt和ea分别表示时间步和离散速度；m和λ分别代表的是正交转换矩阵和对角松弛系数矩阵；
18、对于磁场势方程的求解模型的分布函数的演化方程描述为：
19、
20、其中，h代表分布函数，heq代表平衡态分布函数，其定义式为：
21、
22、式中，φ为磁场势，wa为权重系数；
23、对于声场计算，声压通过流体的瞬时压力扰动得到，计算表达式为：
24、δp(x,t)＝p(x,t)-p0
25、式中，p0为流体静压力，即未受扰动的压力，p(x,t)为流体瞬时压力，根据线性物态方程得到：
26、
27、式中，p(x,t)和分别为流体瞬时密度和声速；
28、对于温度场的求解采用d2q5的离散速度模型，其温度分布函数的演化方程为：
29、
30、其中，g和geq分别表示温度分布函数和温度平衡分布函数；n和q分别为d2q5模型的非正交转换矩阵和松弛系数矩阵。
31、所述耦合分析计算中，求解的假设条件包括：
32、a.假设混合气体为理想气体；
33、b.流动是不可压缩的层流；
34、c.气体扩散层、催化层以及质子交换膜为均匀、各向同性的多孔介质；
35、d.忽略重力的影响。
36、所述燃料电池电堆的疲劳寿命预测公式为：
37、
38、其中，α1和α2为材料系数，σ为修正后的平均应力；
39、
40、其中，σy为材料屈服极限，σa和σm分别是求解的应力幅值和平均值。
41、一种跨尺度多物理场耦合作用下燃料电池电堆的疲劳寿命预测系统，包括：燃料电池电堆三维模型建立模块、燃料电池电堆的有限元模型建立模块、宏观多物理场建模所需参数的获得模块、耦合分析计算模块、燃料电池内部的温度场、应力场及电流密度分布情况计算模块和燃料电池电堆的疲劳寿命预测模块。
42、有益效果：本发明充分考虑了质子交换膜燃料电池电堆在实际运行状态下的跨尺度多物理场的耦合作用，以更加高效、经济的数值模拟方法模拟了电堆内部的应力场分布，进而更准确、高效地预测燃料电池电堆的疲劳寿命，为燃料电池电堆的优化设计提供了理论依据，具有重要的实际意义。
1.一种跨尺度多物理场耦合作用下燃料电池电堆的疲劳寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种跨尺度多物理场耦合作用下燃料电池电堆的疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述燃料电池电堆三维模型包括：双极板、阴极/阳极流道、阴极/阳极气体扩散层、阴极/阳极催化剂层以及质子交换膜。
3.根据权利要求2所述的一种跨尺度多物理场耦合作用下燃料电池电堆的疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述有限元模型中，阴极/阳极气体扩散层、阴极/阳极催化剂层以及质子交换膜具有不同的网格尺寸。
4.根据权利要求3所述的一种跨尺度多物理场耦合作用下燃料电池电堆的疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述有限元模型中，双极板为实体网格，其余部件为流体网格。
5.根据权利要求1所述的一种跨尺度多物理场耦合作用下燃料电池电堆的疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述多物理场包括：振动场、磁场、声场、温度场、电化学场。
6.根据权利要求5所述的一种跨尺度多物理场耦合作用下燃料电池电堆的疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述宏观多物理场建模所需参数包括：开路电压、阴极/阳极参考交换电流密度、各组分气体的扩散参考系数、气体扩散层/催化层的孔隙率、各部件密度、各部件比热容、各部件导热率、各部件电导率。
7.根据权利要求6所述的一种跨尺度多物理场耦合作用下燃料电池电堆的疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述宏观多物理场建模所需参数的获得过程为：
8.根据权利要求7所述的一种跨尺度多物理场耦合作用下燃料电池电堆的疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述耦合分析计算中，求解的假设条件包括：
9.根据权利要求8所述的一种跨尺度多物理场耦合作用下燃料电池电堆的疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述燃料电池电堆的疲劳寿命预测公式为：
10.一种跨尺度多物理场耦合作用下燃料电池电堆的疲劳寿命预测系统，其特征在于，包括：燃料电池电堆三维模型建立模块、燃料电池电堆的有限元模型建立模块、宏观多物理场建模所需参数的获得模块、耦合分析计算模块、燃料电池内部的温度场、应力场及电流密度分布情况计算模块和燃料电池电堆的疲劳寿命预测模块。
