白车身电泳工艺的仿真分析与试验研究

白车身电泳工艺的仿真分析与试验研究

廖 毅1，刘强强1，许 冰1，李 奥2，杨 磊3，4，杨 锐4，肖 刚4

(1.上汽通用五菱 技术中心，广西 柳州 545007；2.湖南大学 汽车工程学院，湖南 长沙410082；3.上海交通大学 金属基复合材料国家重点实验室，上海 200240；4.上海格麟倍信息科技有限公司，上海 200120)

摘 要：针对汽车电泳过程中，现场影响因素复杂，过程控制要求高，质量问题分析不足，根据流体N-S方程、连续方程、动量守恒方程、能量守恒方程及麦克斯韦方程建立了全耦合数学计算模型，应用ECoatMaster有限元分析软件，对三维状态下的汽车电泳工艺进行全耦合场计算机仿真分析，得到了整车电流密度分布及漆膜厚度分布。结果表明，在全耦合计算机仿真分析过程中，应用ECoatMaster软件能有效计算电泳液属性、阳极管排布、电压特性和行车轨迹特性对汽车电泳性能的影响，所得整车外板及B柱内腔膜厚的不同开孔位置膜厚差异，并与已有试验结果及研究数值吻合良好。

关键词：电泳工艺；全耦合；数值分析

电泳过程是一个非常复杂的物理-化学过程，影响因素众多。由于对汽车安全性、NVH特性等要求越来越高，车身设计也越来越复杂，白车身内腔结构，如A柱、B柱、门槛、横梁和前纵梁等部位往往存在涂层厚度较小或者根本电泳不到的问题。汽车电泳过程伴随流体力学、能量转换、能量传输和电场作用等一系列动态变化的过程，很难通过直接观测的方法得到电泳工艺的准确行为特征，而数值分析则可在一定的数学模型下提供完整的流场、电场及化学特性参数信息。由于汽车电泳过程中涂料特性及工艺的控制参数稳定，对整体车辆防腐质量评价起到关键性作用，因此，国内外众多研究者对汽车的电泳工艺开展了大量的研究，并建立了相对成熟稳定的数学模型。Song X. H. 为计算电泳工艺建立了直角坐标系下的电场模型，并研究了电泳力大小和方向对电场的影响行为，使其更接近实际的结果[1]。P. Elsyca等根据流体守恒控制方程组和麦克斯韦方程组对整个电泳过程电场及流场区域建立了三维数学模型，考虑了电流分布、流动速度、行车轨迹和涂料属性等之间的相互作用，对白车身的电泳工艺做了认真的分析和研究，对比二维的计算结果发现，该种模型更加符合实际；同时，P. Elsyca等也研究了不同阳极条件和外力作用下涂装性能的改变[2]。

当实际电泳过程中存在电场作用、流场作用的同时，温度场的变化也对涂料性能、电场强度及方向有影响。本文建立了不同方程作用下的全耦合数学模型，应用ECoatMaster软件对上汽通用五菱汽车有限公司某款车型进行了全耦合场分析研究，使研究更符合实际，并对白车身电泳工艺进行了指导和改进。

1 模型的数学描述及分析

1.1 控制方程

描述电泳工艺的控制方程组如下。

1)质量连续方程：

(1)

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方向的速度。

2)流体在3个方向上的动量守恒方程：

(2)

(3)

(4)

式中，μ为流体粘度；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。

3)能量守恒方程：

(5)

式中，k为电弧介质的热导率；cp为电弧介质的比热容；ST为热源项。

4)电流连续方程：

·j=0

(6)

5)欧姆定律：

j=-σV

(7)

6)磁场方程：

B=×A

(8)

7)磁矢量势：

2A=-μ0j

(9)

8)洛伦兹力：

F=j×B

(10)

9)焦耳热：

(11)

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。

1.2 几何模型及网格划分

根据现场工况条件分别建立整车数模、电泳槽数模和阳极排布数模，使三维模型符合实际工况，现场工况的有限元网格划分如图1所示。

图1 现场工况的有限元网格划分

在求解过程中，为了得到更加精确的结果，需在变量梯度大的区域划分细密的网格，故该模型采用的是自由化网格。由于电极附近温度、电流密度和速度等变量的梯度都很大，故该电极区域选用细密网格。模型内部由于是电场较难到达部位及电泳工艺关心位置，故该区域也选用细密网格。在求解域的内部，中通道附近的电流密度梯度也很大，故该区域也需选用细密网格。除了上述需要特别注意的区域外，求解域的其他部分可以采用相对稀疏的网格，以达到在求解精度满足要求的前提下减小计算量[3]。白车身数模网格划分如图2所示。

图2 白车身数模网格划分

1.3 边界条件

在对电泳所涉及的温度场、流场和电场进行求解时，需要对其边界条件进行设定。在温度场中，考虑电泳漆特性变化属性；在流场中，电极及工件表面设为无滑动的壁面，而电场求解域的四周则设为开边界；在电磁场中，电极设为向内的电流密度，而求解域的白车身设为接地，四周电泳槽及其他边界则设为电绝缘。白车身电流随电压分布如图3所示。

图3 电泳过程中的电流趋势

1.4 模拟参数的选择

在计算过程中，应进行求解域中的介质(涂料及气体)属性设定，分段工作电压选择以及行程轨迹运行。具体参数的选择见表1[4]。

表1 参数选择表

电压/V低压段高压段高压二段行程轨迹生产线时间/s倾角/(°)涂料公司名称牌号温度/℃170～300340340BJ⁃T124030KanSaiLZ8003

2 计算结果与分析

外板膜厚结果如图4所示。内板膜厚分布如图5所示。膜厚仿真值与实际测量值对比如图6所示。

图4 整车外板膜厚模拟结果

图5 内板膜厚分布

图6 仿真值与实际测量值对比

3 结语

应用ECoatMaster有限元电泳分析软件，对三维状态下电泳过程电场、流场及涂料电泳性能进行全耦合计算机仿真模拟。

1)在能量守恒、动量守恒和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。

2)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，并向内板转移，使内板电泳膜厚增加。与实际测量值相吻合。

参考文献：

[1] 李建,张新成.电泳工艺电场数值模型研究[J]. 南京工业大学学报, 2006,27(11):25-28.

[2] 金超，李婷婷，司进华.电泳工艺孔设计对车身耐腐蚀性能的影响[J].现代涂料与涂装，2015(3)：57-60.

[3] 李广龙，魏政君，上官文斌.非线性试验数据的拟合方法[J]. 新技术新工艺, 2016(8):18-21.

[4] 康杰,孙翔,潘友纯,等. 圆孔扩张理论实验验证装置[J]. 新技术新工艺, 2015(12):21-23.

责任编辑 郑练

Numerical Analysis of E-coating Process Under the Fully Coupled Conditions

LIAO Yi1, LIU Qiangqiang1, XU Bing1, LI Ao2, YANG Lei3,4 YANG Rui4, XIAO Gang 4

(1.SGMW Automotive Company Technology Center, Liuzhou 545007, China; 2.Automotive College, Hunan University, Changsha 410082, China; 3.State Key LAB of Metal Matrix Composites, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China; 4.Shanghai GLB Infor&Tech. Ltd, Shanghai 200120, China)

Abstract：Aiming at the defects predict of automotive E-coating process in difficult conditions and high quality control, according to the N-S equation, continuality equation, momentum conservation equation, energy conservation equation and Maxwell equations, applying ECoatMaster finite element software, the E-Coating process 3D field under fully coupled conditions to predict electric current distribution and painting film distribution is analyzed. The results show that the paint characters, anodes distribution, voltage setting and vehicle trajectory will effect film distribution. The film distribution in outer vehicle and B-pillar is differently based on the sharp and product design. It is well consistent with experimental and research results.

Key words：E-coating process, fully coupled, numerical analysis

中图分类号：TG 401

文献标志码：A

作者简介：廖毅(1973-)，男，硕士，高级工程师，主要从事汽车车身设计等方面的研究。

收稿日期：2017-02-17