数值仿真技术在车架防腐性能开发中的应用

数值仿真技术在车架防腐性能开发中的应用

刘强强，黄宗斌，廖毅
（上汽通用五菱汽车股份有限公司，柳州，545007）

【摘 要】：目的 车身正向开发过程中,提升产品防腐蚀性能。方法 钣金上面的涂覆层(电泳漆)厚度,将决定车身防腐蚀性能的好坏。车身防腐蚀，尤其关注涂装电泳漆膜厚度。本文运用电化学CAE仿真分析方法，在汽车产品开发过程中，对车身漆膜厚度进行预测和分析,及时预测车身漆膜厚度不足部位, 准确、有效的反映开发车身电泳漆膜状况。并及时调整车身开发结构,再次通过电化学CAE分析方法，分析不同方案预测结果,指导解决漆膜不足问题。结果 阐明了电泳工艺的控制方程（质量连续方程、动量守恒方程、能量守恒方程），建立了车架的电化学仿真模型，并用于对车架结构进行优化设计。仿真结果显示电泳漆膜厚度由原本几乎不上漆状态提升至9μm以上，实际割车结果与仿真结果吻合，显著提高了车架的防腐蚀能力。结论 研究实践表明，在能量守恒、动量守恒、质量守恒三大控制方程状态下利用MaxWell方程求解计算电泳模型是可行、可靠的。利用有限元软件针对于不同方案的电泳工艺进行验证，能得到合理的工艺参数及设计方案，提升产品防腐蚀性能。
【关键词】：防腐蚀；结构设计；车架；电化学；控制方程；电泳

1引言
车身钣金腐蚀问题，日益成为汽车的一个关注点。在整车开发周期越来越短，白车身如何在有限的时间里，设计出满足客户的产品，变得日益重要。在防腐蚀性能指标中，白车身防腐蚀质量的好坏，取决于车身内腔漆膜厚度，因此，漆膜厚度是一个防腐蚀性能的重要评价指标。面对白车身开发，如何在结构上，结合自身电泳工艺，得到一种相对较理想的漆膜厚度的产品，将对提升车身防腐蚀能力，提升整车产品防腐蚀性能，具有着非常重要的意义[1-3]。本论文主要介绍车身开发过程中，如何提升车架漆膜厚度，通过运用E-coatMaster电化学CAE分析软件，仿真与实车测量对比，寻找优化结构，最后，得到满足要求的漆膜厚度。描述电泳工艺的控制方程组如下式（1～11）所示，质量连续方程为[4-5]：

2模型的数学描述及分析
描述电泳工艺的控制方程组如下式（1～11）所示，质量连续方程为[4-5]：



式中：ρ为流体的密度，u为流体在x方向的速度，v为流体在y方向的速度，w为流体在z 方向上的速度。




动量守恒方程为：式（2～4）分别为流体在3个方向上的动量守恒方程．其中，μ为流体的粘度，fx为x方向流体所受的体积力，fy为y 方向流体所受的体积力，fz为z方向流体所受的体积力，其中fx、fy和fz主要为洛伦兹力，而在z方向时还应考虑重力的作用。
能量守恒方程为：



式中：k为电弧介质的热传导系数，Cp为电弧介质的比热容，St为热源项。
电流连续方程为：



欧姆定律：



磁场方程：



磁矢量势：



洛伦兹力：



焦耳热：



式中：j为电流密度，σ为电导率，V为电势，B为磁感应强度，A为磁矢量式，μ0为真空磁导率。

3电泳涂层计算原理

目前各汽车企业采用的大多是阴极电泳工艺，高分子带电微粒在电场的作用下向阴极运动并沉积在车身表面形成电泳漆膜[6,7]。电泳仿真是通过数值计算的方法，基于法拉第电沉积理论实现电泳膜厚模拟的。

电泳过程伴随流体运动、能量转换、能量传输、电场作用等一系列动态变化的过程[8,9]，很难通过直接观测的方法得到电泳工艺的准确行为特征，而数值分析可基于一定的数学模型得到完整的流场、电场及化学特性参数信息。

车身电泳过程中，涂料粒子在电流的作用下运动，在阴极表面沉积成膜，而电泳涂膜本身是存在电阻的，漆膜厚度增长，涂膜电阻也随之增大，当电阻达到一定值后，膜厚便不再增加[10]。在对车身电泳的仿真中，电流分布的计算在每个时间步可以看作是一个准稳态问题。仿真计算原理如下。
初始时刻，即车身进入电泳槽瞬间，时间为0，膜厚为0，槽液中电压为电极电压：



通过有限元法计算得到整个车身的电场分布状态，进而可以得到初始时刻车身表面各处的电流密度：



其中Rs表示电阻。
由法拉第定律推导的电泳涂膜厚度理论计算式可知，ti时刻的电泳涂膜厚度可由ti时刻的电流密度和涂料化学物理特性决定，即：



其中，涂料的化学物理参数通过涂料参数标定实验获得。
ti+1时刻的电阻受ti时刻的涂膜厚度影响：



进而可以得到ti+1时刻车身表面各处的电流密度：



重新计算电场分布，进行下一轮迭代，直到电泳结束。

4车架结构与仿真模型的建立
在车身开发过程中车架作为乘载车身的载体。腐蚀性能指标将密切影响车架支承汽车总重、动力系统的驱动力性能、 NVH上的缓冲，减振效果、以及整车的使用寿命等。

4.1车架结构
传统设计过程中，对车架较为关注的是其强度、刚度等性能要求。其弊端是降低了防腐蚀性能的要求，因此我们再关注强度、刚度的同时，也要兼顾其腐蚀性能。传统车型车架结构不满足防腐蚀性能。
结构如下图1所示。



4.2车架电化学CAE模型的建立
某车型车架数模导入E-Coat Master软件EMT模块。EMT模块读取舒适，设置其网格精度，min0.008，max0.012，其MESH模型如下图2所示。



4.3车架电化学CAE模型的运算
将划分好网格的MESH模型导入E-Coat Master计算。其主要参数设置如下表1。



5数据分析与实车验证对比

5.1 CAE分析结果导出
在EcoatMaster Xplore 模块中导入计算结果，其电场及漆膜数值如下图3所示。



从漆膜厚度及电势场强度分析均表明，在蓝色区域的漆膜上漆效果较差。尤其是在中断区域漆膜上漆值几乎为0μm。

5.2实车验证与仿真结果比较
针对上述漆膜厚度（生锈关注区域）给予实车验证。对比实车验证值与CAE仿真分析值，如下图4。



在该分析点的漆膜厚度为2.26μm，实际测试值为2.2μm，数值基本吻合。且针对该区域对相应的路试试验车进行解剖，同时也发现该区域生锈比较严重，如下图5所示。



6车架结构方案调整与CAE优化析

6.1车架结构方案调整
对车架进行结构分析发现：
1）支架1、支架2、支架3阻碍了车架内腔电泳液的流动，不利于电泳上漆。
2）加强板2与车架底部间隙不足，电泳液流动困难。
3）车架底部缺少电泳工艺孔，内腔易形成电磁屏蔽，造成电泳上漆困难。

结合CAE分析结果，针对该结果给予车架结构上的改动。其改动的结构方案示意图6如下。



6.2新方案仿真结果与实车验证
新的方案输入，需要再次模拟运算，其运算结果如下图7所示。



对应位置读取实车测试数据，如下图8。



实测数值对比仿真分析数值，选取10组数据，如图9所示。



数据表明，在2组数值中，在数值上偏差仅在±1μm以内。可以有效的判断该方案是否能有效的解决实车漆膜不足的问题。

7结论
1、利用ECoatMaster有限元电泳分析软件针对于不同方案的电泳工艺进行验证，得到合理的工艺参数及设计方案。
2、在能量守恒、动量守恒质量守恒三大控制方程状态下利用MaxWell方程求解计算电泳模型是可行、可靠的。
3、在全耦合条件下求解得出的电流密度分布、电泳膜厚厚度分布，符合在大电流状态下有利于漆膜厚度的生长，随漆膜厚度增加，电泳阻抗增加，电流密度降低，向内板转移，使内板电泳膜厚增加。与实际测量值相吻合。