史述龍 楊春偉 潘偉

摘要：基于計(jì)算機(jī)行業(yè)的迅速發(fā)展和有限元分析方法在模擬分析軟件中的運(yùn)用日益成熟，電泳膜厚CAE分析軟件在計(jì)算精度、工作效率、軟件操作等方面都取得了很大進(jìn)步。利用CAE分析軟件，在設(shè)計(jì)階段即展開產(chǎn)品的電泳膜厚分析，對(duì)電泳不良部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，不僅能提高產(chǎn)品最終的防腐性能、縮短開發(fā)周期，同時(shí)也能避免在產(chǎn)品數(shù)模凍結(jié)后，因電泳質(zhì)最問題對(duì)大型模具進(jìn)行調(diào)整，從而降低產(chǎn)品的開發(fā)成本。本文主要對(duì)ED膜厚CAE仿真軟件的原理、流程，以及在某款車型上的應(yīng)用進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。

關(guān)鍵詞：有限元;電泳涂裝;CAE;電泳膜厚

引言

汽車涂裝的作用主要有兩點(diǎn)：一是保證車身鈑金的防銹蝕能力，二是提高車身的商品性，使其外觀更具吸引力。兩者中，防銹蝕能力保證是涂裝工藝最基礎(chǔ)、最重要的功能。

就目前汽車制造行業(yè)的主流涂裝工藝而言，陰極電泳仍然是保證車身鈑金防銹能力的主要工藝手段，電泳膜厚則是評(píng)價(jià)防銹能力的主要衡量基準(zhǔn)。但是，陰極電泳成膜過程非常復(fù)雜，最終膜厚受槽液組成參數(shù)（固體份、灰分、MEQ、溶劑含量）、電泳條件參數(shù)（槽液溫度、電壓、時(shí)間）、槽液特性參數(shù)（電導(dǎo)率、pH）和電泳特征參數(shù)（庫(kù)侖效率、最大電流、泳透力）等眾多參數(shù)的影響^[1]。且各參數(shù)之間存在關(guān)聯(lián)性，一個(gè)參數(shù)變化，會(huì)引起其他關(guān)聯(lián)參數(shù)同時(shí)變化。所以，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)只能定性判斷哪些部位可能出現(xiàn)膜厚不足的問題，無法預(yù)估具體的膜厚數(shù)據(jù)。另外，因電泳膜厚與車身的鈑金結(jié)構(gòu)（形狀、開孔位置、孔徑、鈑金間隙等）密切相關(guān)，在一個(gè)車型上積累的經(jīng)驗(yàn)很難適用于其他車型。

CAE仿真模擬分析軟件為電泳膜厚評(píng)估提供了新的解決方案。

1 CAE軟件的工作原理

ECnalMaster是目前行業(yè)內(nèi)主流的電泳模擬仿真分析軟件之一。該軟件利用有限元方法，通過電化學(xué)方程邏輯運(yùn)算來模擬電泳成膜過程，借助計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算和數(shù)據(jù)處理能力進(jìn)行求解計(jì)算，最后輸出車身電泳膜厚分析結(jié)果。

其理論方程如下：

多離子傳輸模型

電極動(dòng)力方程 n=v-u-f（j）

具體計(jì)算過程如下：

（1）利用有限元分析法，根據(jù)初始時(shí)刻的設(shè)定參數(shù)，計(jì)算出電泳液中的電場(chǎng)分布情況，從而得到車身表面的電流密度;

（2）根據(jù)得到的電流密度，計(jì)算出設(shè)定的單位時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)的電泳涂料沉積量，得到該時(shí)間內(nèi)生成的電泳膜的厚度;

（3）根據(jù)此時(shí)的電泳膜厚，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的電阻：

（4） 一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)的計(jì)算結(jié)束（單位時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)定值越小，最終結(jié)果越精確，但計(jì)算耗時(shí)延長(zhǎng)。為兼顧計(jì)算結(jié)果及效率，通常設(shè)定為3秒）。

以上一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)結(jié)束時(shí)的膜厚電阻作為下一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)計(jì)算的初始條件，如此循環(huán)，直到時(shí)間步長(zhǎng)的累計(jì)時(shí)間到達(dá)設(shè)定值（根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際電泳時(shí)間確定），計(jì)算結(jié)束。此時(shí)的膜厚數(shù)據(jù)即為最終的仿真計(jì)算結(jié)果^[2]。

2 CAE仿真分析優(yōu)勢(shì)

利用CAE模擬軟件進(jìn)行電泳膜厚的分析，主要優(yōu)勢(shì)有以下=點(diǎn)：

（1）提高產(chǎn)品的防腐蝕能力。針對(duì)某些部位膜厚不足問題，采用經(jīng)驗(yàn)評(píng)估法，理論上應(yīng)該用實(shí)車對(duì)每一種方案進(jìn)行逐一驗(yàn)證，對(duì)比膜厚提升效果，從而找出最佳方案。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于各種因素的影響，能找到一種方案使問題部位的膜厚達(dá)標(biāo)就已經(jīng)非常不易，所以通常找到一種有效的方案后就不會(huì)再進(jìn)行其他方案的驗(yàn)證，其他對(duì)品質(zhì)提升更好的方案很可能因此不能被發(fā)現(xiàn)和采用。利用CAE軟件，可以快速、直觀的提供不同方案對(duì)膜厚提升的效果，幫助設(shè)計(jì)人員找到最佳方案，從而提高產(chǎn)品的防腐性能。

（2）縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期。隨著汽車行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，產(chǎn)品的投放速度越來越快，對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期提出了更高的要求。傳統(tǒng)試驗(yàn)法，一次設(shè)計(jì)變更的驗(yàn)證時(shí)間大約需要三個(gè)月（包含圖紙修改、模具調(diào)整、實(shí)車加工等過程），而利用CAE軟件分析只需要一周，大大加快了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的熟成速度，縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期。

（3）降低產(chǎn)品的開發(fā)成本。因?yàn)橛谩败浤！奔庸さ能嚿砭炔桓撸覕?shù)量有限，所以前期用軟模加工的車身只適用于電泳外觀晶質(zhì)的確認(rèn)，內(nèi)腔的品質(zhì)確認(rèn)通常發(fā)生在產(chǎn)品數(shù)模凍結(jié)以后，用“硬?！奔庸さ能嚿磉M(jìn)行。此時(shí)模具已經(jīng)定型，如果為了提升內(nèi)腔膜厚再對(duì)相應(yīng)鈑金做設(shè)計(jì)變更，將會(huì)帶來高昂的模具修理成本。同時(shí)，與設(shè)變部位相關(guān)的強(qiáng)度、振動(dòng)、噪聲等性能需再次驗(yàn)證，由此帶來的人工成本也不利于新車型的成本控制。CAE模擬軟件只需要產(chǎn)品數(shù)模即可，分析后若有問題，直接修改數(shù)模進(jìn)行二次計(jì)算，無問題后再進(jìn)行數(shù)模凍結(jié)，及相應(yīng)的模具加工，從而降低后期結(jié)構(gòu)、模具更改的概率。

3 ECoatMaster在汽車電泳涂裝方面的應(yīng)用

3.1基礎(chǔ)資料準(zhǔn)備

3.1.1電泳槽模型構(gòu)建

用CATIA軟件按1：1比例建立電泳槽模型，確定有限元計(jì)算的空間邊界。除槽體尺寸外，陽極管的形狀、尺寸、數(shù)量、在槽體內(nèi)的分布位置等信息也非常重要，因?yàn)殛枠O管直接決定電場(chǎng)的分布，對(duì)最終結(jié)果影響很大。另外，車身在槽體內(nèi)的運(yùn)行軌跡、電壓?jiǎn)?dòng)程序（電壓分段情況及對(duì)應(yīng)電壓值、每段電壓?jiǎn)⑼？刂泣c(diǎn)、每段電壓通電時(shí)間）、實(shí)際電泳時(shí)的車身全浸沒時(shí)間、生產(chǎn)線鏈速等參數(shù)也需要與實(shí)際保持一致。模型建好后，用軟件自帶的的EMT模塊對(duì)槽體進(jìn)行網(wǎng)格劃分（如圖1所示）。

3.1.2涂料測(cè)試

在仿真分析中，必須獲得精確的槽液特性參數(shù)作為計(jì)算的輸入條件。通常取現(xiàn)場(chǎng)使用的電泳涂料樣品，對(duì)其在不同流速、電壓、電流等條件下的動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)定，得到槽液的電導(dǎo)率、油漆阻抗和油漆生長(zhǎng)因子等特征參數(shù)。其中槽液在不同板材上的電泳沉積性能需要重點(diǎn)關(guān)注和檢測(cè)。同時(shí)，為了更好的了解槽液在不同板材卜的沉積能力，還必須做不同工藝參數(shù)下DOE分析。另外，為保證最終計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)所用的板材必須和實(shí)車使用的板材一致，而且板材也要經(jīng)過和車身實(shí)際加工時(shí)一樣的脫脂、表調(diào)、磷化，以及烘烤等處理。

通過實(shí)驗(yàn)將所需數(shù)據(jù)全部測(cè)定完成，經(jīng)擬合修正后導(dǎo)人軟件涂料性能參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，供計(jì)算時(shí)調(diào)用（如表1所示）。

3.1.3車身數(shù)模處理

為了提高仿真計(jì)算的速度，及減少計(jì)算時(shí)軟件報(bào)錯(cuò)的概率，需要對(duì)車身每個(gè)零件數(shù)模的完整性、是否有錯(cuò)位、干涉等情況進(jìn)行逐一檢查確認(rèn)，刪去焊點(diǎn)、螺栓（母）、膠條，以及設(shè)計(jì)時(shí)的輔助線、面等對(duì)計(jì)算結(jié)果沒有影響的數(shù)據(jù)。需要格外注意的是，因最終提交軟件計(jì)算的數(shù)模必須帶有料厚，如果原始數(shù)模為片體，則必須進(jìn)行手動(dòng)加厚處理，否則后續(xù)計(jì)算無法進(jìn)行。零件數(shù)模處理完畢后，將所有零件裝配成完整車身，并參照實(shí)車加工條件，將引擎蓋、四門、尾箱蓋等部件打開相應(yīng)角度（如圖2所示），盡量使數(shù)模狀態(tài)與實(shí)車加工時(shí)裝上工裝夾具后的狀態(tài)一致，從而提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.1.4參數(shù)設(shè)置

在軟件相應(yīng)模塊中對(duì)車身運(yùn)行軌跡程序、電壓?jiǎn)?dòng)程序、時(shí)間步長(zhǎng)程序、電極等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，為計(jì)算提供運(yùn)算環(huán)境支持。

3.2模擬分析

3.2.1整車網(wǎng)格劃分

準(zhǔn)備工作完成之后，將處理好的車身數(shù)模（STL文件）導(dǎo)人軟件，用軟件自帶的EMT模塊對(duì)整車進(jìn)行網(wǎng)格劃分（網(wǎng)格劃分時(shí)間根據(jù)車身數(shù)模大小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度而異，通常需要一天左右）。

3.2.2宏觀（整車）膜厚計(jì)算

網(wǎng)格劃分完成后，將車身數(shù)據(jù)提交軟件進(jìn)行宏觀膜厚計(jì)算。宏觀膜厚計(jì)算完成后，軟件會(huì)輸出之前設(shè)定的每一個(gè)時(shí)問步長(zhǎng)結(jié)束時(shí)的整車膜厚狀態(tài)（以不同顏色表示膜厚的厚薄，如圖3所示），以便于對(duì)成膜的過程進(jìn)行觀察（如車身各部位成膜的先后順序，成膜的速率等）。選取最后一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的計(jì)算結(jié)果（即最終的仿真結(jié)果，如圖3所示），用Xploer模塊打開，通過顏色，可以判斷出膜厚不足部位。

需要指出的是，因?yàn)檎嚲W(wǎng)格數(shù)量巨大，而膜厚計(jì)算需要對(duì)每一個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的膜厚進(jìn)行積分求解，因此宏觀膜厚（整車膜厚）的計(jì)算量非常龐大，為了兼顧計(jì)算效率，在進(jìn)行整車網(wǎng)格劃分時(shí)，不宜將網(wǎng)格劃分得很細(xì)（網(wǎng)格精度值設(shè)定在0.005-0.01）。而且，相對(duì)于外板而言，內(nèi)腔膜厚更容易受鈑金結(jié)構(gòu)影響。因此，雖然宏觀計(jì)算結(jié)果可以看到車身內(nèi)腔的膜厚狀態(tài)，但其計(jì)算結(jié)果的精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及外板，達(dá)不到指導(dǎo)分析的要求。為了得到準(zhǔn)確的內(nèi)腔膜厚結(jié)果，就需要對(duì)重點(diǎn)關(guān)注的部位進(jìn)行更精細(xì)的網(wǎng)格劃分（網(wǎng)格精度值設(shè)定在0.0005-0.001），并進(jìn)行二次計(jì)算，稱之為“微觀計(jì)算”。宏觀計(jì)算的目的在于，得到準(zhǔn)確的外板膜厚結(jié)果，同時(shí)為微觀計(jì)算提供計(jì)算環(huán)境，例如與電場(chǎng)的分布數(shù)據(jù)，微觀計(jì)算可直接調(diào)用。

通過圖三可以發(fā)現(xiàn)，整車外板的膜厚已達(dá)到17 μm左右，滿足質(zhì)量要求。但B柱內(nèi)腔的膜厚最低只有4μm左右，不滿足質(zhì)量要求。為了更準(zhǔn)確的了解B柱內(nèi)板的膜厚狀態(tài)，需要對(duì)B柱進(jìn)行微觀計(jì)算。

3.2.3微觀（局部）計(jì)算

用ZOOMBOX將B柱需要重點(diǎn)計(jì)算的部位從整車數(shù)模上截取出來，重新進(jìn)行更精細(xì)的網(wǎng)格劃分，并導(dǎo)入軟件進(jìn)行再次計(jì)算（如圖4所示）。從該結(jié)果上可以看出，B柱加強(qiáng)板下部深藍(lán)色區(qū)域電泳膜厚不足，隨機(jī)選取該區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)平均膜厚僅為0 9μm左右，遠(yuǎn)低于5μm的膜厚下限要求，發(fā)生銹蝕的風(fēng)險(xiǎn)很高。

3.2.4解決方案驗(yàn)證

針對(duì)B柱加強(qiáng)板銹蝕問題，利用軟件自帶的開孔功能，在藍(lán)色區(qū)域不同部位開孔后進(jìn)行模擬計(jì)算驗(yàn)證。根據(jù)膜厚提升效果，并從開孔的便捷性、成本、強(qiáng)度等方面綜合評(píng)估，確定了最佳的解決方案，結(jié)算結(jié)果如圖5所示。新開兩個(gè)Φ20mm的孔后，原膜厚不足區(qū)域顏色已由深藍(lán)色變成淺綠色，平均膜厚由0.9 μm提升至6.7μm，達(dá)到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

3.3模擬分析結(jié)果與實(shí)車結(jié)果對(duì)比

為了驗(yàn)汪CAE軟件模擬計(jì)算結(jié)果的精度，我們將實(shí)車解剖后對(duì)各部位的膜厚進(jìn)行測(cè)量，并與模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，宏觀、微觀，及膜厚不足區(qū)域形狀對(duì)比結(jié)果分別如圖6、圖7、圖8所示。

從上述對(duì)比結(jié)果中可以看出，模擬分析與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)相同，偏差基本在2μm以內(nèi)，模擬分析膜厚不足的問題在實(shí)車上確實(shí)存在，部位及形狀與實(shí)車一致。

4 結(jié)語

隨著技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，目前電泳膜厚CAE仿真軟件已經(jīng)能將計(jì)算偏差控制到2μm的范圍內(nèi)，其精度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)評(píng)估法，計(jì)算效率也有了很大提高，因而越來越多的車企已開始使用CAE軟件開展新車型的電泳膜厚（品質(zhì)）分析。

但是，目前的電泳仿真軟件仍存在以下可以改善的問題，一是計(jì)算周期長(zhǎng)，進(jìn)行一輪完整的計(jì)算仍需要一周左右，通過優(yōu)化軟件計(jì)算方法，計(jì)算時(shí)間可以進(jìn)一步縮短，同時(shí)降低對(duì)計(jì)算機(jī)硬件要求;二是軟件對(duì)車型數(shù)模的質(zhì)量要求較高，導(dǎo)致前期數(shù)模處理工作量較大;三是宏觀計(jì)算時(shí)，車身內(nèi)腔的膜厚精度不高，高精度的內(nèi)腔膜厚需要分部位單獨(dú)進(jìn)行微觀計(jì)算。

得益于CAE仿真軟件分析的諸多優(yōu)勢(shì)，汽車設(shè)計(jì)階段開展電泳膜厚的仿真分析已成為一種趨勢(shì)。隨著客戶的需求越來越高，供應(yīng)商應(yīng)在軟件的操作便捷性、計(jì)算效率提升、精度提升方而做出更多研究和努力。

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