基于仿真的車身電泳涂層快速驗(yàn)證及優(yōu)化

曾 蔚，劉強(qiáng)強(qiáng)，瞿 剛 （上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007）

基于仿真的車身電泳涂層快速驗(yàn)證及優(yōu)化

曾 蔚，劉強(qiáng)強(qiáng)，瞿 剛 （上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007）

介紹了在設(shè)計(jì)階段引入電泳仿真技術(shù)進(jìn)行同步分析的一種新的電泳涂層驗(yàn)證手段。闡述了電泳仿真膜厚計(jì)算原理及建模過程，提出了一種融入車身開發(fā)體系中的電泳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)證及優(yōu)化流程。該方法的引入可有效地降低開發(fā)成本，縮短結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可行性的驗(yàn)證周期，加快產(chǎn)品開發(fā)迭代速度，并能保證產(chǎn)品的質(zhì)量，為企業(yè)贏得競爭力。

電泳涂層；仿真技術(shù)；同步分析

0 引言

近年來，消費(fèi)者和汽車生產(chǎn)企業(yè)對汽車車身腐蝕問題日益重視。車身腐蝕不僅有礙汽車的美觀性，而且會導(dǎo)致車身強(qiáng)度下降，影響到行車的安全性。車身防腐性能的提升途徑主要有3個(gè)：第一，使用耐腐蝕性好的車身板材，如鍍鋅板等；第二，增加防腐輔助工藝，如空腔注蠟、噴蠟等；第三，優(yōu)化電泳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證車身電泳涂層厚度，使之具有充分的防腐蝕能力［1-2］。其中第三種途徑在車身防腐過程中充當(dāng)著十分重要的角色，是防止車身發(fā)生由內(nèi)至外腐蝕的主要手段之一［3］，也是車身設(shè)計(jì)部門工程師關(guān)注的重點(diǎn)。

車身內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，往往也是電泳涂層厚度不足問題的高發(fā)區(qū)域。工程上為了檢驗(yàn)車身電泳后內(nèi)腔的涂膜厚度，以評估電泳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性，一般采用試制樣車的方法，電泳烘干后進(jìn)行切割解剖，然后使用測厚儀器進(jìn)行人工逐點(diǎn)測量、記錄。當(dāng)發(fā)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域、發(fā)生結(jié)構(gòu)更改，需再次驗(yàn)證時(shí)仍要重復(fù)試制樣車→電泳→割車→測量的步驟。這種“試制-糾錯(cuò)”的模式耗費(fèi)大量的人力、物力，并且時(shí)間周期長，不利于產(chǎn)品開發(fā)的快速迭代。近年來，電泳虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展使得在設(shè)計(jì)階段就同步驗(yàn)證車身電泳涂層的膜厚成為可能，這一技術(shù)的應(yīng)用，有效減少了實(shí)車試制、切割次數(shù)，避免了工人的重復(fù)勞動，節(jié)約了開發(fā)成本，縮短了驗(yàn)證周期［4-5］。

1 基于仿真技術(shù)的車身電泳涂層驗(yàn)證及優(yōu)化

1.1 電泳涂層的仿真技術(shù)

目前，各汽車企業(yè)采用的大多是陰極電泳工藝，高分子帶電微粒在電場的作用下向陰極運(yùn)動并沉積在車身表面形成電泳涂膜［6-7］。電泳仿真技術(shù)是通過數(shù)值計(jì)算的方法，基于法拉第電沉積理論實(shí)現(xiàn)電泳膜厚模擬的。

1.1.1 電泳涂層膜厚計(jì)算原理

電泳過程中伴隨著流體運(yùn)動、能量轉(zhuǎn)換和傳輸、電場作用等一系列動態(tài)變化的過程［8-9］，很難通過直接觀測的方法得到電泳工藝的準(zhǔn)確行為特征，而數(shù)值分析可基于一定的數(shù)學(xué)模型得到完整的流場、電場及化學(xué)特性參數(shù)信息。

車身電泳過程中，涂料粒子在電流的作用下運(yùn)動，在車身表面沉積成膜，而電泳涂膜本身是存在電阻的，隨著涂膜厚度的增加，涂膜電阻增大，當(dāng)其電阻達(dá)到一定值后，涂膜厚度便不再增加［10］。在對車身電泳的仿真中，電流分布的計(jì)算在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)可以看作是一個(gè)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)問題。仿真計(jì)算原理如下：

初始時(shí)刻，即車身進(jìn)入電泳槽的瞬間，時(shí)間（t0）為0，膜厚（d0）為0，槽液中電壓（V0）為電極電壓，即：

通過有限元法計(jì)算出整個(gè)車身的電場分布狀態(tài)，進(jìn)而可以得到初始時(shí)刻車身表面各處的電流密度［j（t0）］：

其中，Rs表示電阻。

由法拉第定律推導(dǎo)的電泳涂膜厚度理論計(jì)算式可知，ti時(shí)刻的電泳涂膜厚度［d（ti）］由ti時(shí)刻的電流密度和涂料的物化特性決定，即：

其中，涂料的物化參數(shù)通過涂料參數(shù)標(biāo)定試驗(yàn)獲得。

ti+1時(shí)刻的電阻受ti時(shí)刻的涂膜厚度影響，即：

進(jìn)而可以得到ti+1時(shí)刻車身表面各處的電流密度：

重復(fù)計(jì)算電場分布，進(jìn)行下一輪迭代，直至電泳結(jié)束。

1.1.2 電泳仿真過程

ECoatMaster是一款能實(shí)現(xiàn)整車宏觀分析和局部分析的電泳仿真軟件，其功能強(qiáng)大，界面友好，目前在多家汽車企業(yè)得到應(yīng)用。

運(yùn)用ECoatMaster軟件進(jìn)行電泳仿真分析的首要任務(wù)是建立常用參數(shù)，即涂料參數(shù)、電泳槽模型、工藝參數(shù)等，接著輸入車體的3D數(shù)據(jù)，劃分網(wǎng)格，設(shè)置邊界條件，搭建有限元模型，最后提交計(jì)算，得出分析結(jié)果。

（1）涂料參數(shù)

對于車身電泳膜厚，準(zhǔn)確的計(jì)算及模擬必須以試驗(yàn)為基礎(chǔ)，受到電泳涂料物化特性的影響，陰極電泳沉積效率一般低于100%。為得到實(shí)際的電泳沉積效率，獲得用于電泳仿真分析的沉積參數(shù)，首先進(jìn)行了福特盒試驗(yàn)以確定電泳漆的基本泳透能力，然后以車身材料圓片試樣為試驗(yàn)對象進(jìn)行了簡化模型的電泳試驗(yàn)，以獲得實(shí)際電泳涂料沉積的相關(guān)參數(shù)并用于車身電泳膜厚的仿真計(jì)算。

試驗(yàn)參數(shù)標(biāo)定方法見圖1。首先搭建電泳試驗(yàn)平臺進(jìn)行試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)過程中的膜厚及電流；然后設(shè)定初始沉積參數(shù)集，建立試驗(yàn)仿真模型，比較仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果，若吻合度滿足要求，則參數(shù)標(biāo)定合格。否則，修改沉積參數(shù)，進(jìn)一步仿真計(jì)算，反復(fù)迭代，直至仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。

圖1 電泳沉積參數(shù)標(biāo)定方法示意圖Figure 1 The scheme of electrophoretic deposition parameters calibration method

（2）電泳槽模型

電泳槽模型包括電泳槽幾何尺寸、電極截面形狀、電極尺寸、電極安裝位置及數(shù)量等，見圖2。

圖2 電泳槽建模示意圖Figure 2 The scheme of electrophoresis tank modeling

（3）工藝參數(shù)

工藝參數(shù)主要包括：電泳有效時(shí)間、車身輸送軌跡、電泳電壓程式等。

（4）網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置

對整車模型自動劃分網(wǎng)格，設(shè)置邊界條件，搭建有限元模型。

（5）提交計(jì)算

先進(jìn)行整車宏觀運(yùn)算，然后在宏觀計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上截取關(guān)注區(qū)域進(jìn)行局部精算。

（6）后處理

將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入XPlorer軟件中，進(jìn)行可視化處理，獲得車身表面電泳膜厚的分布云圖，拾取關(guān)鍵點(diǎn)獲得電泳膜厚的精確數(shù)值。

1.2 車身電泳結(jié)構(gòu)優(yōu)化流程

車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)多次迭代開發(fā)的過程，常常伴隨多次結(jié)構(gòu)更改及優(yōu)化才能鎖定最終的數(shù)模數(shù)據(jù)。對車身進(jìn)行防腐性能開發(fā)，優(yōu)化電泳結(jié)構(gòu)時(shí)，必須兼顧車身強(qiáng)度、剛度等其他性能要求，將電泳同步分析融入車身開發(fā)流程體系當(dāng)中，圖3為車身開發(fā)過程中電泳結(jié)構(gòu)優(yōu)化流程。

圖3 車身開發(fā)過程中電泳結(jié)構(gòu)優(yōu)化流程Figure 3 The electrophoresis structure optimization process during auto body development

電泳同步工程分析的合理介入，在設(shè)計(jì)階段就能對方案進(jìn)行可行性評估，減少了實(shí)車驗(yàn)證的次數(shù)，加快了車身開發(fā)迭代的速度，極大地節(jié)約了成本，縮短了驗(yàn)證周期，同時(shí)提升了產(chǎn)品質(zhì)量。

2 某車型大梁電泳涂層驗(yàn)證及優(yōu)化實(shí)例

2.1 電泳仿真分析

大梁內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鈑金間隙小，電泳液流動不暢，局部腔體電泳液甚至無法進(jìn)入，或腔體形成電磁屏蔽，電場強(qiáng)度很弱，導(dǎo)致內(nèi)表面電泳涂膜厚度薄。再加上大梁位于車身底部，工作環(huán)境潮濕，容易受到泥水侵蝕。薄弱的電泳涂層無法抵御腐蝕的發(fā)生，使大梁內(nèi)腔成為腐蝕的高發(fā)區(qū)。圖4為某車型大梁生銹區(qū)域圖例。實(shí)車觀測，生銹主要發(fā)生在大梁中段。

圖4 實(shí)車生銹區(qū)域Figure 4 The rust area of vehicle

在整車宏觀計(jì)算的基礎(chǔ)上截取大梁區(qū)域進(jìn)行電泳仿真精算，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 加強(qiáng)板下表面涂膜仿真結(jié)果Figure 5 The film simulation results of the reinforcement plate adaxial surface

由分析結(jié)果可見，大梁中段加強(qiáng)板下表面電泳涂膜厚度為0.01～3.86 μm，未達(dá)到規(guī)定膜厚要求，不足以抵御腐蝕的發(fā)生。仿真結(jié)果預(yù)示生銹區(qū)域與實(shí)車生銹觀測結(jié)果吻合一致，這表明了電泳仿真模型的正確性。

2.2 電泳結(jié)構(gòu)優(yōu)化

電泳仿真結(jié)果為設(shè)計(jì)人員指明了結(jié)構(gòu)缺陷，明確了結(jié)構(gòu)更改的區(qū)域范圍。對仿真結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步工程分析可發(fā)現(xiàn)：存在問題區(qū)域的電場強(qiáng)度較弱，不足以保證充分的涂料電沉積作用；電泳工藝孔距離過大，內(nèi)腔電泳液流動不充分；電泳時(shí)排氣受阻，易產(chǎn)生氣泡。上述因素導(dǎo)致了電泳上漆困難。

為此，提出針對性的更改措施，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化：加強(qiáng)板側(cè)面增加筋條，保證與大梁側(cè)面離空5 mm，形成5 mm×10 mm通道，同時(shí)增加一Φ20 mm電泳孔，確保電泳過程中液體流動通暢；在加強(qiáng)板底部增加5個(gè)Φ16 mm排氣孔，消除氣泡的影響，同時(shí)有利于消除電磁屏蔽，保證電泳充分。優(yōu)化后大梁加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

圖6 優(yōu)化后大梁加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)示意圖Figure 6 The structure scheme of the beam reinforced plate after optimization

結(jié)構(gòu)優(yōu)化后進(jìn)行電泳仿真分析，結(jié)果如圖7所示。大梁加強(qiáng)板對應(yīng)區(qū)域電泳膜厚為3.51～11.8 μm，相比原結(jié)構(gòu)膜厚有所提升，但仍存在小塊面積漆膜厚度偏小，不能滿足防腐要求。

圖7 優(yōu)化后大梁加強(qiáng)板電泳仿真結(jié)果Figure 7 The electrophoresis simulation result of the beam reinforced plate after optimization

對結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入分析發(fā)現(xiàn)，雖然大梁加強(qiáng)板增加了電泳工藝孔，但大梁底部未開孔，仍形成封閉結(jié)構(gòu)，因此進(jìn)行第二次結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在大梁底部增加3個(gè)Φ16 mm進(jìn)液孔，大梁側(cè)面增加2個(gè)Φ16 mm錯(cuò)位孔，確保電泳液順暢進(jìn)出大梁內(nèi)腔，如圖8所示。

圖8 大梁結(jié)構(gòu)第二次優(yōu)化后示意圖Figure 8 The scheme of beam structure after second optimization

第二次優(yōu)化后仿真結(jié)果如圖9所示。大梁加強(qiáng)板電泳涂膜厚度為8.93～14.44 μm，達(dá)到了防腐目標(biāo)要求。

圖9 第二次優(yōu)化后大梁加強(qiáng)板電泳仿真結(jié)果Figure 9 The electrophoresis simulation result of the beam reinforced plate after second optimization

經(jīng)評估，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)同時(shí)滿足車身強(qiáng)度、剛度等其他性能要求。數(shù)模鎖定后，進(jìn)行實(shí)車試制驗(yàn)證，在加強(qiáng)板上選取10個(gè)測量點(diǎn)，使用漆膜測厚儀測量膜厚，仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果如圖10所示，數(shù)據(jù)吻合性較好。

圖10 加強(qiáng)板涂膜厚度仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對比Figure 10 Comparison of simulation results and measured results of the film thickness of reinforced plate

經(jīng)過工程分析，提出優(yōu)化方案，先經(jīng)仿真驗(yàn)證，最后實(shí)車驗(yàn)證，涂膜厚度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。說明改進(jìn)措施有效，可以實(shí)施，確保大梁內(nèi)腔區(qū)域防腐蝕性能良好，提高了其使用壽命。

3 結(jié)語

介紹了在設(shè)計(jì)階段引入電泳仿真技術(shù)進(jìn)行同步分析的一種新的電泳涂層驗(yàn)證手段。利用電泳仿真同步分析技術(shù)，能在設(shè)計(jì)階段就暴露出電泳結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)缺陷，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化指明方向；通過電泳仿真手段對結(jié)構(gòu)更改的可行性進(jìn)行驗(yàn)證，能夠減少傳統(tǒng)模式“試制-割車”次數(shù)，從而減少人力、物力浪費(fèi)，節(jié)約開發(fā)成本；同時(shí)能夠縮短驗(yàn)證周期，加快產(chǎn)品開發(fā)迭代速度，并能保證產(chǎn)品質(zhì)量，為企業(yè)贏得競爭力。

1 談?wù)\，梁其續(xù).汽車車身涂裝一體化項(xiàng)目教程［M］. 上海：上海交通大學(xué)出版社，2012.

2 陳世和.車輛鋼結(jié)構(gòu)腐蝕與防護(hù)［M］.北京：中國鐵道出版社，1994.

3 HJ.Streitberger，KF Dossel. Automotive Paints and Coatings［M］. Wiley-VCH，Weinheim，2007.

4 FPK. Wechsler. Virtual Manufacturing Empowers Digital Product Development Case Study E-Coat Simulation［R］，2013.

5 David H. Rose. New DOD Policy Will Reduce the Cost ofCorrosion［J］. Amptiac，2005，7（4）：61.

6 RF. Gould.Electrodeposition of Coatings［M］. Washington，D.C.：American Chemical Society，1973.

7 RL. Yeates. Electro Painting［M］. Teddington：Robert Draper Ltd.，1966.

8 GA. Campbell，WB. Brown. Dynamicsimulation of the Electrodeposition of Polymers［A］. Papers Present at Los Angeles Meeting ACS［C］，1971，31（1）：337-345.

9 PE. Pierce. The Physical Chemistry of the Cathodic Electrode-position Process［J］. J. Coat.Tech.，1981，53 （672）.

10 DR. Bauer，SBA. Qaderi. Application of the Oxide Film Growth Model to the Electrodeposition of Organic Coatings［M］. Ford Motor Company，1981.

Fast Verif cation and Optimization of Autobody Electrophoretic Coating Based on Simulation

Zeng Wei，Liu Qiangqiang，Qu Gang
（SAIC-GM-Wuling Automobile Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi，545007，China）

A new eletrophoretic coating verification method for the simultaneous analysis of introducing eletrophoretic simulation technology at the design stage was introduced. The calculation principle of film thickness and modeling process of the simulation technology were expounded. A verification and optimization process of eletrophoretic structure design in the body development system was presented. The introduction of this method could effectively reduces the development costs and shorten the verification cycles of design feasibility，accelerate the pace of product development iteration，ensure the quality of products and gain a competitive edge for enterprises.

electrophoresis coating；simulation technology；synchronous analysis

TG 401

A

1009-1696（2017）02-0024-05

2016-12-10

柳州市科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計(jì)劃課題（2015AC035）。

曾蔚（1980—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)檐囕v工程。

劉強(qiáng)強(qiáng)（1984—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾滦筒牧现苽洹?/p>