质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为一种高效、清洁的能源设备,在航空航天、运载交通和便携移动设备等诸多领域具有良好的应用前景。电堆的结构设计、封装方式以及服役中的工况条件都会影响电池组件的受力状况,进而影响电堆的性能。本文以PEMFC电堆为研究对象,利用数值仿真方法,对大型电堆进行了结构优化设计与抗振性能分析。首先分别对螺栓封装电堆端板和钢带封装电堆端板进行多目标协同结构优化设计。螺栓封装是大型电池堆最常用的封装方法,封装工艺简单,但是结构相对笨重。钢带封装是近年来比较流行的大型电堆封装方法,与螺栓封装方法相比,钢带封装具有结构紧凑、美观大方等优点。由于封装力是通过端板传递到内部组件的,通过端板优化设计可以改善组件受压均匀性。本文对两种封装的端板进行了多目标拓扑优化设计,不但实现了大幅度减重,而且端板变形刚度良好。在对钢带封装端板进行优化时,分成两步连续的优化过程,即形状优化和拓扑优化,以降低数值计算的收敛难度并提高计算的稳定性。通过形状优化可以得到具有光滑边界的端板截面的形状与拓扑优化结果。电堆的抗振性能分析研究是复杂的多因素耦合难题,求解难度较高。本文提出了电堆参数化的等效刚度-质量的建模分析方法,此等效模型是把大型电堆简化为由许多组弹簧和质点通过串联或并联组合在一起的力学模型,该模型在保持电池组件装配关系的同时,将具体的电堆结构参数化,得到了电堆的高效数学分析模型,从而可以高效分析组件的结构应力,并且可以综合考虑封装力、温度、外部动载荷等因素的影响。