1 引言

    近年來，汽車消費者和生產企業對汽車腐蝕問題日益重視。車身腐蝕不僅有礙汽車美觀性，而且會導致強度下降，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。三優化電泳結構設計，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著十分重要的角色，是防止車身發生由內至外腐蝕的主要手段。作為車身設計部門的工程師，第三者也是關注的重點。

    車身的內腔具有復雜的結構，往往也是電泳涂層厚度不足問題的高發區域。工程上為了檢驗車身電泳后內腔的漆膜厚度，以評估電泳結構設計的可行性，采用的方法一般是通過試制樣車，電泳烘干后進行切割解剖，然后使用測厚儀器進行人工逐點測量、記錄。當發現風險區域，發生結構更改，再次驗證時仍需重復試制-電泳-割車-測量步驟。這種“試制-糾錯”的模式耗費了大量的人力、物力，并且時間周期長，不利于產品開發的快速迭代。近年來電泳虛擬仿真技術的發展使得在設計階段就同步驗證車身電泳涂層厚度成為了可能，這一技術的應用有效減少了實車試制、切割次數，解放了人的重復勞動，節約了開發的成本，縮短了驗證的周期。

    2 基于仿真技術的車身電泳涂層驗證及優化

    2.1   電泳涂層的仿真技術目前各汽車企業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動并沉積在車身表面形成電泳漆膜。電泳仿真是通過數值計算的方法，基于法拉第電沉積理論實現電泳膜厚模擬的。

    2.1.1電泳涂層計算原理電泳過程伴隨流體運動、能量轉換、能量傳輸、電場作用等一系列動態變化的過程，很難通過直接觀測的方法得到電泳工藝的準確行為特征，而數值分析可基于一定的數學模型得到完整的流場、電場及化學特性參數信息。

    車身電泳過程中，涂料粒子在電流的作用下運動，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，當電阻達到一定值后，膜厚便不再增加。在對車身電泳的仿真中，電流分布的計算在每個時間步可以看作是一個準穩態問題。仿真計算原理如下。

    初始時刻，即車身進入電泳槽瞬間，時間為0，膜厚為0，槽液中電壓為電極電壓：

    通過有限元法計算得到整個車身的電場分布狀態，進而可以得到初始時刻車身表面各處的電流密度：

    其中Rs表示電阻。

    由法拉第定律推導的電泳涂膜厚度理論計算式可知，時刻的電泳涂膜厚度可由時刻的電流密度和涂料化學物理特性決定，即：

    其中，涂料的化學物理參數通過涂料參數標定實驗獲得。

    ti+1時刻的電阻受ti時刻的涂膜厚度影響：

    進而可以得到ti+1時刻車身表面各處的電流密度：

    重新計算電場分布，進行下一輪迭代，直到電泳結束。

    2.1.2電泳仿真過程ECoatMaster 是一款能實現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得到應用，功能強大，界面友好。

    運用ECoatMaster軟件電泳仿真分析首要任務是建立常用參數，即涂料參數、電泳槽模型、工藝參數，接著輸入車體的3D數據，劃分網格，設置邊界條件，搭建有限元模型，最后提交計算，得出分析結果。

    1）涂料參數測試。

    對于車身電泳膜厚，準確的計算及模擬必須以實驗為基礎，受到電泳涂料化學物理特性的影響，陰極電泳沉積效率一般低于100%。為得到實際電泳沉積效率，獲得用于電泳仿真分析的沉積參數，首先進行了福特盒實驗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驗對象進行了簡化模型的電泳實驗，以獲得實際電泳涂料沉積相關參數并用于車身電泳膜厚仿真計算。

    實驗參數標定方法見圖1。首先搭建電泳實驗平臺進行實驗，記錄實驗過程中膜厚及電流；然后設定初始沉積參數集，建立實驗仿真模型，將仿真結果與實驗結果比較，若吻合度滿足要求，則參數標定合格。否則，修改沉積參數，進一步仿真計算，反復迭代，直到仿真結果與試驗結果吻合良好。

    電泳試驗操作平臺如圖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、電極安裝位置及數量。

    3）工藝參數。

    主要包括：電泳有效時間、車身輸送軌跡、電泳電壓程式等。

    4）網格劃分及邊界條件設置。

    對整車模型自動劃分網格，設置邊界條件，搭建有限元模型。

    5）提交計算。

    先進行整車宏觀運算，然后在宏觀計算結果基礎上截取關注區域進行局部精算。

    6）后處理。

    將計算結果導入XPlorer軟件中，進行可視化處理，獲得車身表面電泳膜厚分布云圖，拾取關鍵點獲得電泳膜厚精確數值。

    2.2  車身電泳結構

    優化流程車身結構設計是一個多次迭代開發的過程，常常伴隨多次結構更改及優化才能鎖定最終的數模數據。對車身進行防腐性能開發，進行電泳結構優化時，必須兼顧車身強度、剛度等其他性能要求，將電泳同步分析融入車身開發流程體系當中，圖4為車身開發過程中電泳結構優化流程。

    電泳同步工程分析的合理介入，在設計階段就能對方案進行可行性評估，減少了實車驗證的次數，加快了車身開發迭代的速度，極大節約成本和縮短驗證周期，同時提升了產品質量。

    3  某車型大梁電泳涂層驗證及優化

    實例3.1  某車型大梁電泳仿真實例分析

    大梁內腔結構復雜，鈑金間隙小，電泳液流動不暢，局部腔體電泳液甚至無法進入，或腔體形成電磁屏蔽，電場強度很弱，導致內表面電泳漆膜厚度薄。再加上大梁位于車身底部，工作環境潮濕，容易受到泥水侵蝕。薄弱的電泳涂層無法抵御腐蝕的發生，使大梁內腔成為腐蝕的高發區。圖5為某車型大梁，實車觀測生銹主要發生在大梁中段。

    在整車宏觀計算的基礎上截取大梁區域進行電泳仿真精算，仿真結果如圖6所示。

    從分析結果看，大梁中段加強板下表面電泳漆膜厚度為0.01~3.86μm，電泳涂層未達到膜厚要求，不足以抵御腐蝕的發生。仿真結果預示生銹區域與實車生銹觀測結果吻合一致，說明了電泳仿真模型的正確性。

    3.2  某車型大梁電泳結構優化電泳仿真結果為設計人員指明了結構缺陷，明確了結構更改的區域范圍。對仿真結果進行進一步工程分析可發現：存在問題區域電場強度較弱，不足以保證充分的涂料電沉積作用；電泳工藝孔距離過大，內腔電泳液流動不充分；電泳時排氣受阻，易產生氣泡。上述因素導致了電泳上漆困難。

    為此，提出針對性的更改措施，對結構進行優化：加強板側面增加筋條，保證與大梁側面離空5mm，形成5x10mm通道，同時增加一φ20mm電泳孔，確保電泳過程中液體流動通暢；在加強板底部增加5個φ16mm排氣孔，消除氣泡的影響，同時有利于消除電磁屏蔽，保證電泳充分。優化后大梁加強板結構如圖7所示。

    泳膜厚為3.51~11.8μm，相比原結構膜厚有所提升，但仍存在小塊面積漆膜厚度偏薄，未能滿足防腐要求。

    對結構進行深入分析發現，雖然大梁加強板增加了電泳工藝孔，但大梁底部未開孔仍形成封閉結構，因此第二次結構優化在大梁底部增加3個φ16進液孔，大梁側面增加2個φ16錯位孔，保證電泳液順暢進出大梁內腔，如圖9所示。

    第二次優化后仿真結果如圖10所示。大梁加強板電泳漆膜厚度為8.93~14.44μm，漆膜厚度到達了防腐目標要求。

    優化后結構經評估同時滿足車身強度、剛度等其他性能要求。數模鎖定后，進行實車試制驗證，在加強板上選取10個測量點，使用漆膜測厚儀測量膜厚，仿真結果與實測結果如圖11所示，數據吻合性較好。

    經過工程分析，提出優化方案，先經仿真驗證，最后實車驗證，漆膜厚度達到設計要求。說明改進措施有效，可以實施，確保大梁內腔區域防腐蝕性能良好，提高了使用壽命。

    4  總結

    本文主要介紹了在設計階段引入電泳仿真技術進行同步分析的一種新的電泳涂層驗證手段。實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，能在設計階段就暴露出電泳結構設計缺陷，為結構優化指明方向；通過電泳仿真手段對結構更改的可行性進行驗證，能夠減少傳統模式“試制-割車”次數，從而減少人力、物力耗費，節約開發成本；同時能夠縮短驗證的周期，加快產品開發迭代速度，并能保證產品的質量，為企業贏得競爭力。

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責任編輯：王元

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