1 引言

    近年來，汽車消費(fèi)者和生產(chǎn)企業(yè)對汽車腐蝕問題日益重視。車身腐蝕不僅有礙汽車美觀性，而且會導(dǎo)致強(qiáng)度下降，影響到行車的安全性。車身防腐性能提升的途徑主要有：一使用耐腐蝕性能好的車身板材，如鍍鋅板等；二增加防腐輔助工藝，如空腔注蠟、噴蠟等。三優(yōu)化電泳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證車身電泳涂層厚度，使之具有充分的耐腐蝕能力。其中第三者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。作為車身設(shè)計(jì)部門的工程師，第三者也是關(guān)注的重點(diǎn)。

    車身的內(nèi)腔具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，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)腔的漆膜厚度，以評估電泳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性，采用的方法一般是通過試制樣車，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，再次驗(yàn)證時(shí)仍需重復(fù)試制-電泳-割車-測量步驟。這種“試制-糾錯(cuò)”的模式耗費(fèi)了大量的人力、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)證車身電泳涂層厚度成為了可能，這一技術(shù)的應(yīng)用有效減少了實(shí)車試制、切割次數(shù)，解放了人的重復(fù)勞動，節(jié)約了開發(fā)的成本，縮短了驗(yàn)證的周期。

    2 基于仿真技術(shù)的車身電泳涂層驗(yàn)證及優(yōu)化

    2.1   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漆膜。電泳仿真是通過數(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。

    2.1.1電泳涂層計(jì)算原理電泳過程伴隨流體運(yùn)動、能量轉(zhuǎn)換、能量傳輸、電場作用等一系列動態(tài)變化的過程，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，在陰極表面沉積成膜，而電泳涂膜本身是存在電阻的，漆膜厚度增長，涂膜電阻也隨之增大，當(dāng)電阻達(dá)到一定值后，膜厚便不再增加。在對車身電泳的仿真中，電流分布的計(jì)算在每個(gè)時(shí)間步可以看作是一個(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)入電泳槽瞬間，時(shí)間為0，膜厚為0，槽液中電壓為電極電壓：

    通過有限元法計(jì)算得到整個(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：

    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，時(shí)刻的電泳涂膜厚度可由時(shí)刻的電流密度和涂料化學(xué)物理特性決定，即：

    其中，涂料的化學(xué)物理參數(shù)通過涂料參數(shù)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)獲得。

    ti+1時(shí)刻的電阻受ti時(shí)刻的涂膜厚度影響：

    進(jìn)而可以得到ti+1時(shí)刻車身表面各處的電流密度：

    重新計(jì)算電場分布，進(jìn)行下一輪迭代，直到電泳結(jié)束。

    2.1.2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，目前在多家汽車企業(yè)得到應(yīng)用，功能強(qiáng)大，界面友好。

    運(yùn)用ECoatMaster軟件電泳仿真分析首要任務(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)，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)測試。

    對于車身電泳膜厚，準(zhǔn)確的計(jì)算及模擬必須以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，受到電泳涂料化學(xué)物理特性的影響，陰極電泳沉積效率一般低于100%。為得到實(shí)際電泳沉積效率，獲得用于電泳仿真分析的沉積參數(shù)，首先進(jìn)行了福特盒實(shí)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實(shí)驗(yàn)對象進(jìn)行了簡化模型的電泳實(shí)驗(yàn)，以獲得實(shí)際電泳涂料沉積相關(guān)參數(shù)并用于車身電泳膜厚仿真計(jì)算。

    實(shí)驗(yàn)參數(shù)標(biāo)定方法見圖1。首先搭建電泳實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)過程中膜厚及電流；然后設(shè)定初始沉積參數(shù)集，建立實(shí)驗(yàn)仿真模型，將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較，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，直到仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。

    電泳試驗(yàn)操作平臺如圖2所示。

    2）電泳槽模型，如圖3所示。

    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。

    3）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分布云圖，拾取關(guān)鍵點(diǎn)獲得電泳膜厚精確數(shù)值。

    2.2  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)，進(jìn)行電泳結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(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4為車身開發(fā)過程中電泳結(jié)構(gòu)優(yōu)化流程。

    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，極大節(jié)約成本和縮短驗(yàn)證周期，同時(shí)提升了產(chǎn)品質(zhì)量。

    3  某車型大梁電泳涂層驗(yàn)證及優(yōu)化

    實(shí)例3.1  某車型大梁電泳仿真實(shí)例分析

    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)表面電泳漆膜厚度薄。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5為某車型大梁，實(shí)車觀測生銹主要發(fā)生在大梁中段。

    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6所示。

    從分析結(jié)果看，大梁中段加強(qiáng)板下表面電泳漆膜厚度為0.01~3.86μm，電泳涂層未達(dá)到膜厚要求，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，說明了電泳仿真模型的正確性。

    3.2  某車型大梁電泳結(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5mm，形成5x10mm通道，同時(shí)增加一φ20mm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)φ16mm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)如圖7所示。

    泳膜厚為3.51~11.8μm，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薄，未能滿足防腐要求。

    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)，因此第二次結(jié)構(gòu)優(yōu)化在大梁底部增加3個(gè)φ16進(jìn)液孔，大梁側(cè)面增加2個(gè)φ16錯(cuò)位孔，保證電泳液順暢進(jìn)出大梁內(nèi)腔，如圖9所示。

    第二次優(yōu)化后仿真結(jié)果如圖10所示。大梁加強(qiáng)板電泳漆膜厚度為8.93~14.44μm，漆膜厚度到達(dá)了防腐目標(biāo)要求。

    優(yōu)化后結(jié)構(gòu)經(jīng)評估同時(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11所示，數(shù)據(jù)吻合性較好。

    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，漆膜厚度達(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，提高了使用壽命。

    4  總結(jié)

    本文主要介紹了在設(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。實(shí)踐證明這種手段是卓有成效的。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)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、物力耗費(fèi)，節(jié)約開發(fā)成本；同時(shí)能夠縮短驗(yàn)證的周期，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。

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