利用ECoatMaster和Alsim软件解决车身电泳缺陷的实例

利用ECoatMaster和Alsim软件解决车身电泳缺陷的实例覃鹏飞;刘强强;谢贵山;黄宗斌;韦超忠;郑勇新【摘要】用实例介绍了如何使用ECoatMaster和Alsim软件来解决某SUV车型车身内板零件电泳漆膜薄、不上漆的问题.期刊名称】 电镀与涂饰年(卷),期】 2018(037)018【总页数】7页(P840-846)【关键词】 车身;有限元分析;防腐;电泳;缺陷;漆膜厚度;故障处理【作 者】 覃鹏飞;刘强强;谢贵山;黄宗斌;韦超忠;郑勇新【作者单位】 上汽通用五菱汽车股份有限公司,广西柳州 545007;上汽通用五菱汽 车股份有限公司,广西柳州 545007;上汽通用五菱汽车股份有限公司,广西柳州 545007;上汽通用五菱汽车股份有限公司,广西柳州 545007;上汽通用五菱汽车股 份有限公司,广西柳州 545007;上汽通用五菱汽车股份有限公司,广西柳州 545007【正文语种】 中 文【中图分类】 TQ639;U466目前汽车市场的零件制造材料主要以金属为主，金属的腐蚀不仅会破坏汽车的外观， 而且影响到它的使用寿命和功能，进而影响品牌的口碑，甚至会引起交通事故，浪 费材料与能源。据调查，全世界每年每辆汽车因金属腐蚀而导致的平均损失为150 250美元。在我国，除了意外交通事故和汽车零部件磨损，汽车腐蚀是使 汽车损坏报废的重要原因1。造成车身腐蚀的原因是风吹雨淋的环境、工业大气 环境，甚至是沿海地区含较高氯化钠的环境引起车身钣金的电化学腐蚀。为提高汽 车防腐水平，我国对车辆的防腐性能评价有推荐性的行业标准一QC/T 732-2005 乘用车强化腐蚀试验方法，而一些汽车公司也有专门的防腐方法和评价标准， 比如在产品设计、制造工艺等阶段有针对性地进行腐蚀防护工作2，研究车身的 镀锌技术3，以及将涂装同步工程应用到汽车开发中4-5。在越来越提倡车身轻 量化的市场形势下，车身的钣金呈日益减薄的趋势，车身结构也越来越复杂，因而 造成车身A、B、C、D柱的腔体和接头、门槛、横梁、纵梁等部位往往存在电泳 涂层薄，甚至没有涂层附着的问题。电泳涂装是汽车耐腐蚀的基础，电泳缺陷会引 发车身腐蚀问题，因此解决车身电泳缺陷问题的必要性日益凸显。传统的电泳试错方法不仅周期长，而且成本高，电泳工艺孔的布置也缺乏科学依据 6。本文以某款SUV车身为研究对象，分别采用ECoatMaster和Alsim有限元 软件进行模拟分析，以求发现车身电泳涂层薄弱区域和白车身气蚀（又称空蚀、穴 蚀，即流体在高速流动和压力变化的条件下，与流体接触的金属表面发生洞穴状腐 蚀破坏的现象）、电泳液残留的分布情况，通过分析、对比来确定解决方案，并进 行实物验证，为后续车型的开发提供依据。1 有限元软件分析技术CAE（Computer Aided Engineering ，计算机辅助工程）从20世纪60年代开始应 用在工程领域，经过50多年的发展，已日趋成熟。CAE可以分析工程和产品的性 能与安全可靠性，模拟其未来的工作状态和运行行为，从而及早发现设计缺陷，并 证实未来工程、产品功能和性能的可用性和可靠性，能获得良好的经济效益和优良 的工程质量。随着汽车技术的发展，国内外车企对电泳涂装进行了一系列的研究并 建立了稳健的数学模型。ECoatMaster有限元软件是比利时Elsyca公司和德国大 众合作开发的，它基于车身电泳受电场、流场、温度场等作用的影响，根据质量连 续方程、动量守恒方程、能量守恒方程、电流连续方程、欧姆定律、磁场方程以及 焦耳热控制方程，通过建立车身模型、电泳槽模型和阳极排布模型，对全耦合数学 模型进行仿真分析7。电泳涂料在规定的电压和时间内对被涂物背离电极部位的 涂覆能力决定了车身漆膜厚度，电泳泳透力的理论模型见式（1）8。泳透力对车身 漆膜质量和涂装成本有直接的影响，提高泳透力可提高车身漆膜质量，并降低涂装 成本9。其中：ht是管子内涂装的高度,m;a是电力线进入的断面面积，m2 ; L是管子 内涂装面的底边长度，m ； R是涂膜阻抗，Q;p是电泳漆的电阻率，Qm。在涂 装工艺及材料的参数（即R和P）不变的情况下，可通过增加车身电泳工艺孔来促进 电力线进入断面，从而提高电泳漆膜的厚度。ECoatMaster有限元软件的分析步骤如下：（1）建立工艺参数：确定电泳槽电压（低压段170 300 V,高压段与高压二段均 为340 V）、车身的行程轨迹（生产线为BJ-T1,时间240 s，倾角30）和电泳漆（生 产公司为KanSai，牌号为LZ800,温度为30 C）。（2）建立电泳槽模型：根据涂装车间的阳极尺寸及排布，按电泳槽尺寸建立电泳槽 模型，并对其进行网格划分，如图1所示。图1电泳槽模型的网格划分Figure 1 Meshing for the model of electrophoresis tank划分车身模型网格：根据输入的车体数模数据，使用自动划分网格工具EMT 软件对整车模型进行宏观网格划分。针对变量梯度大的区域（如电极）、电场较难达 到的内部区域、工艺关注区域、求解关注区域等微观区域可划分细密网格，以提升 上述区域的计算精度。对求解域的其他部分采用相对稀疏的网格。这种自由化的网 格方式既能保证求解精度，又能缩短计算时间。(4) 求解计算：先对整车进行宏观分析计算，在宏观结果的分析基础上再对微观区 域进行分析计算。读取仿真分析结果：使用后处理功能的Xplorer工具从结果云图中读取漆膜厚 度、电流密度分布和电势分布。(6) 结构改进：根据仿真结果，在电泳漆膜需改进(膜厚过薄或过厚)的区域进行虚 拟开孔、扩孔或堵孔，再次进行仿真计算，以验证结构改进的可行性，进而提出可 靠的改进方案。Alsim 是针对汽车电泳工艺中车身在电泳液中的浸润情况进行模拟仿真分析的有限 元软件。通过Level-Set方法计算两相流，用车身分割流体计算区域，考虑流体的 压力、重力、压缩性和瞬态行为，以及流体对车身的作用力(浮力)，最终得到车身 气蚀、电泳液残留的分布情况。Alsim 有限元软件的分析步骤如下：(1) 数模准备：使用网格工具 Merge 对车身数模划分网格，自动修复数模中的破 面、碎面、反转面等缺陷。(2) 生产线数据准备：根据车身在电泳槽的实际运行轨迹来建立车身行程轨迹。(3) 求解计算：对车身网格模型在电泳液中的浸润情况进行计算；(4) 读取仿真分析结果：根据仿真计算结果分析气蚀分布和运动情况，以及电泳残 液的分布情况。(5) 电泳工艺结构改进：利用仿真软件的辅助开孔功能，自动寻找各个计算步长的 最高、最低点，辅助进行开孔设计。Alsim 通过有效分析电泳液和车身的行程轨迹对排气沥液的影响，结合流体的静力 学、动力学模型，发现仿真分析结果与实际拆车结果高度一致，且相比于传统 CFD 软件，大大降低了硬件和时间方面的消耗。ECoatMaster和Alsim有限元软件对车身前期结构防腐设计具有指导作用。根据 分析云图，可在保证车身刚度、强度、模态等性能的基础上布置设计合理的电泳工 艺孔和排气槽，快速分析电泳漆膜和电泳积气情况。经实物验证，有限元软件快速 仿真分析值与实测平均值吻合程度约90%。某些区域由于车身制造偏差、腔体结 构复杂、电泳电压出现波动等原因，因此车身漆膜测量值与仿真值不吻合。在车身 实物验证阶段确认实测漆膜厚度，对腐蚀区域进行电泳仿真细化网格分析，确定并 实施解决方案，从而满足防腐性能要求。车身结构设计过程中，工程师需要考虑各项性能指标，如零部件布置和产品成型的 可行性、气密性、轻量化、安全（碰撞）性能、疲劳耐久、NVH即Noise（噪声）、Vibration（振动）和Harshness（粗糙感），是人体听觉、触觉和视觉多方面的综合体 现、防腐蚀性能，等等。产品数据未完全锁定（T2）之前，各项性能指标都在同步 开发（T1至T2阶段），共同寻求最优结构。电泳有限元分析软件在汽车产品开发中 的应用流程如图2所示。在汽车软工装T1阶段开始启动，对软工装车身数据进行 分析，确认漆膜厚度，并对潜在腐蚀区域提出解决方案，对优化后的T1数据进行 分析、确认，出具T1仿真报告（T1阶段的数据为概念数据，是汽车产品初期阶段 数据）。在软工装验证车做漆膜厚度测试后，根据漆膜不达到目标要求的区域进行 分析和提出解决方案，再次进行电泳仿真分析。在综合解决方案有效的前提下，在 T2阶段给予实施，即最终实施于实车，以验证方案的有效性。T2阶段是正式工装 开模数据，即汽车产品的正式数据。传统的上漆不足解决方式是：实车f新方案实 车制造-实车割车验证-（反复造车验证方案）-达到技术要求。与之相比，采用有 限元软件分析的解决方式（虚拟实车数据f仿真f仿真新方案f割车f达到技术要 求）更节省开发时间、人力和费用。图 2 电泳有限元分析流程 Figure 2 Process flow of finite element analysis on electrophoresis注：VDRVerified Data Release,验证数据发布阶段； PROPrototype,样车阶段；IVIntegration Vehicle,整车集成阶段。2某SUV车型的车身腐蚀问题和结构改进2.1 问题描述某SUV车型在生产过程和整车耐久可靠性试验中发现如图3所示的区域存在电泳 漆膜薄和生锈问题：a侧围A柱区域，A柱下加强板生锈；b后轮罩区域， 轮罩内、外板不上漆；c顶盖顶梁区域，顶梁不上漆；d顶盖后部区域，顶盖 后横梁内、外板生锈。图 3 某 SUV 车型发生问题的区域 Figure 3 Photos showing the areas where had defects on a SUV car2.2 有限元软件分析结果采用ECoatMaster和Alsim对该SUV车型车身进行仿真分析，对前述不上漆和生锈区域采用细密网格划分以提高计算精确度，结果如图4所示，发现主要问题 如下：(a)侧围A柱区域胶条边及立面多个区域的漆膜厚度为2.3 5.0 pm; (b) 轮罩区域积气面积35 835 mm2 ; (c)顶梁区域积气16 590 mm2 ; (d)顶盖后横梁 区域积气15 367 mm2。图 4 CAE 仿真分析结果 Figure 4 Results of CAE simulation analysis2.3 原因分析和解决方案通常提高电泳漆膜厚度的方法是：在结构上加大钣金间隙，增加电泳工艺孔；在工 艺上增大阳极管电压，加强或改善电泳槽内电泳液的流动性等，以提升电力线进入 腔体的能力。实际电泳过程中，车身过电泳槽时受电泳槽阳极管分布和车身外观形 状限制，各部位上电时间受产品设计结构(如单层腔体，多层腔体，钣金间隙，开 孔间距和大小，双层板开孔偏差等)影响，造成车身内腔上电不一致，进而影响上 漆效果以及漆膜厚度。2.3.1 a位置出现问题的原因：在侧围A柱腔体上方位置，A柱下加强板和铰链螺母板的电泳 工艺孔不对中，导致电泳效果不理想，如图5a所示；侧面位置A柱下加强板的电 泳工艺孔被侧围内板完全遮挡，导致无法上漆，如图6a所示；A柱腔体下部位置 原有的电泳工艺孔间距过大，门洞拐角区域无电泳工艺孔，如图7a所示。图5 A柱腔体上部位置生锈原因的示意图及解决方案Figure 5 Schematicdiagram showing the reason why the upper part of A pillar was corroded and its solution图6 A柱腔体侧面位置生锈原因的示意图及解决方案Figure 6 Schematic diagram showing the reason why the side of A pillar was corroded and its solution图7 A柱腔体下部位置生锈原因的示意图及解决方案Figure 7 Schematic diagram showing the reason why the bottom part of A pillar was corroded and its solution解决方案：令铰链螺母板的电泳工艺孔上移20 mm，使之与A柱下加强板的电泳 工艺孔对中（如图5b所示），以便电泳效果达到最佳；A柱下加强板立面增加2个 申18 mm电泳工艺孔（如图6b所示）;A柱下加强板在下部门洞拐角区域增加一个 甲18 mm电泳工艺孔（如图7b所示）。2.3.2 b位置 出现问题的原因：在电泳过程中，后轮罩内、外板以及电泳液面形成封闭腔体，在 后轮罩内、外板最高点积压了气体，导致电泳液无法达到轮罩内、外板最高点。解决方案：在不影响结构强度，保证原有焊点布置的情况下，设计排气槽，其宽度为15 mm,相对于后轮罩内板焊接平面高3 mm，经软件分析，在后轮罩最高处 增加1个排气槽即可有效排出气体，如图8所示。但在电泳后需刷涂装胶密封， 以保证该区域的密封性。图8后轮罩区域不上漆原因的示意图及解决方案Figure 8 Schematic diagramshowing the reason why rear wheelhouse area had no film and its solution2.3.3 c位置 出现问题的原因：顶梁筋凸槽处与液面形成一个腔体，在电泳时顶梁最高点积压有 气体，导致电泳液无法到达该点。解决方案：在保证顶梁强度和顶梁模具可更改的前提下，在最高（凸）点3个面区域 增加排气孔（如图9所示），这能有效排出顶梁积气，使电泳液到达顶梁最高点。2.3.4 d位置 出现问题的原因：在电泳时，顶盖后横梁内、外板及液面形成的封闭腔体存在气体 积压，导致电泳液无法到达该区域。解决方案：根据后横梁外板到顶盖的间隙，在不影响结构强度的情况下，考虑到焊 点间距，设计排气槽的槽宽为30 mm，相对于后横梁外板前端焊接平面高6.5 mm（见图10）。软件虚拟分析结果显示，增加3个排气槽能彻底解决该问题。图9顶梁区域不上漆原因的示意图及解决方案Figure 9 Schematic diagram showing the reason why bow area had no film and its solution 图10顶盖后横梁区域生锈原因的示意图及解决方案Figure 10 Schematic diagram showing the reason why rear bow area was corroded and its solution2.4 优化方案仿真分析及实车验证根据解决方案更新车身模型，用ECoatMaster和Alsim再次仿真分析，结果见图11,改善效果如下：侧围A柱90%的区域漆膜达到8 pm以上；（b）后轮罩积 气面积为零；（c）顶梁区域积气面积减小至823 mm2，可接受，待实物验证；（d） 顶盖后横梁区域的积气面积为零。图11不同区域优化后的CAE仿真分析结果Figure 11 Results of CAE simulation analysis at different areas after optimization实施解决方案后的车身状态如图12所示。a、b、c、d区域原有的问题均得到解 决，更改后的漆膜厚度提升明显，车身结构按QC/T 732-2005标准检测，结果满 足防腐要求。3 结语图12不同区域优化后的实车验证结果Figure 12 Results of actual product verification at different areas after optimization本文以某SUV车型车身不上漆、生锈问题的解决为实例，介绍了 ECoatMaster 和Alsim软件仿真分析方法的应用。对该SUV车型的车身结构进行分析后确认了 造成不上漆及导致锈蚀的原因，在综合考虑车身强度、刚度、安全性、模具更改可 行性、成本、周期等因素的情况下制定了解决方案。ECoatMaster和Alsim仿真 软件能在设计阶段发现车身腐蚀潜在风险，有效提高车身结构防腐性能设计的可行 性，并为如何设计和改进提供精确指导及快速验证。两款软件的仿真分析结果与车 身电泳工艺结构的正向设计相结合能有效提高车身防腐性能。参考文献：【相关文献】1李彤国产汽车防腐现状及对策几汽车技术,2002 (4): 28-31.2徐书玲浅谈汽车防腐评价体系在产品研发过程中的作用几汽车技术,2003 (6): 25-27.3扶祝华，谢水凤耐蚀性车身钢板的镀锌处理J.材料保护,2003, 36 (12): 57-58.4李国波，储灿飞,阳克付同步工程中涂装工艺对汽车产品开发的影响J.电镀与涂饰,2010, 29 (12): 67-71.华云，郝松汽车涂装同步工程分析中应注意的有关车身结构的若干问题J.电镀与涂饰,2016,35 (10): 521-524.6李丽娜，康平平,回金楷，等乘用车车身内腔锈蚀原因探讨J.涂料工业,2012, 42 (2): 36-38, 43.7廖毅,刘强强，许冰，等白车身电泳工艺的仿真分析与试验研究J.新技术新工艺,2017 (5): 34- 36.8 李婷婷电泳工艺孔设计对车身耐腐蚀性能影响D长春:吉林大学,2013.9 华云，王辉，周磊，等汽车电泳涂装泳透力现场测量方法J.电镀与涂饰,2012, 31 (10): 68-70.