【学术论文】某实车 A 柱电泳仿真分析与优化
作者简介：魏洪桢(1989—)，男，工程师，硕士，从事整车 CFD 和电泳工艺分析工作。
(东南(福建)汽车工业有限公司，福建 福州 350119)
摘要：电泳涂装是车身防腐抗锈的关键环节，而 A 柱内部板件结构复杂常发生电泳不良现象。文章利用 Ecoatmaster 对 A 柱电泳涂膜进行分析,得到电泳膜厚分布，并提出相关的优化改进措施，有效提高了 A柱电泳质量，对实际工艺改进具有一定指导作用。
关键词：电泳；涂装；数值模拟；膜厚
中图分类号:U467.14 文献标识码：A 文章编号：1672-4801(2017)01-032-03
DOI：10.19508/j.cnki.1672-4801.2017.01.010
电泳涂装是汽车车身及零部件防腐防锈的重要工艺环节，而 A 柱区域由于其结构复杂，常常发生电泳不良现象，但该区域与车身的外观，整车碰撞安全、零部件的疲劳耐久性能密切相关；因此，A 柱电泳涂装一直以来都是各汽车生产商关注的重点和难点。良好的电泳涂装工艺可保证在数年之内不出现穿孔腐蚀，是产品质量的重要保障。在传统整车开发流程中，电泳涂膜厚度往往只能通过后期试验车的拆解来测量，当电泳涂膜效果达不到要求时常通过改变孔位、开孔、修模、甚至是调整生产工艺等方法来改善电泳涂膜性能，这样不但会使开发周期变长，同时也将耗费大量人力和物力。近年来，随着计算机辅助工程(Computer Aided Engineering, CAE)的不断发展，电泳仿真技术也慢慢兴起，越来越多的汽车生产商开始尝试使用 CAE技术预测电泳涂装性能、缩短研发周期、节省开发成本。盛治华[1]等人采用 Visual Paint Shop(VPS)[2]技术对车身侧围进行仿真计算，分析电泳膜厚分布情况，并提出了相关的改进措施，改善车身电泳性能。王玮[3]等人也才采用 VPS 技术对某车型 A 柱和 B 柱进行了相关计算，得到了车身外围表面和内腔电泳膜厚分布云图。虽然 VPS 技术能很好地预测电泳膜厚分布情况，对车型开发中电泳涂装工艺有重要的指导作用，但 VPS 对涂装专业知识要求较高，操作计算流程较为繁琐。寻求一种操作简单、精度可靠的电泳工艺仿真方法，分析整车电泳性能、缩短整车开发流程、降低生产成本，逐渐成为各生产商关注的重点。
基于此背景，本文采用 EcoatMaster[4]软件对某实车模型进行仿真分析，观察 A 柱电泳情况，分析电泳涂膜性能，并根据涂膜效果提出相关的改进措施。该软件具有自动划分网格功能，操作简单，同时拥有较高的仿真精度，能够准确预测车身电泳状态，对缩短整车开发流程、降低生产成本、改进电泳工艺都具有重要作用。
1.电泳涂装基本原理
电泳涂装通常是将具有导电性的被涂部件浸 渍在装满电泳涂料的泳槽中，并在泳槽中布置与被涂物相对应的电极管束，在直流电源的作用下，经过一段时间后，被涂物上析出水不溶性均一涂膜的涂装方法。根据被涂物连接电极的不同，可分为阳极电泳法(AED)和阴极电泳法(CED)，现代汽车生产过程中多采用阴极电泳法，即将车身作为被涂物连接到电源阴极。电泳涂装是一个复杂的电化学反应过程，其过程主要伴随着电泳、电沉积、电解、电渗 4 种化学物理现象[5]。在电流作用下，树脂和颜料粒子向阴极移动，阴极表面生产氢气,阳极生成氧气[6]。涂膜形成的主要反应如下:
式中：R-NH+，R-N 表示树脂粒子基团；e- 表示 带负电离子；2OH- 表示氢氧根离子；H2↑表示氢气；H2O 表示水；O2 表示氧气。
在电泳过程中，涂料粒子在阳极和阴极的作用下，带正电的粒子向阴极移动，带负电的粒子向阳极移动。以阴极电泳为例，为使车身表面顺利涂膜，需将电泳液中的涂料粒子通过特殊方法制成带正电粒子。通电后，在电势的作用下，涂料粒子向车身表面运动并最终实现涂膜。
2.A 柱电泳分析2.1 模型建立
在保证计算精度的前提下，利用软件自带 Zoombox 方法切取 A 柱的 CAD 模型，去除螺钉、焊点、胶水等与电泳无关物体，并对切取部分进行网格划分。清理后的模型如图 1 所示，图 2 为 A 柱网格。
2.2 电泳涂装数值模拟
计算的边界条件根据生产线电泳液涂料实验进行设置，电导率为 1512 μs/cm，固体份为 20.5，PH 值为 5.89，电泳液温度为 30.5°C，计算步数为 218；将翼子板、车门外板及上边梁处外围板电泳液流速设置为 900 r/min，靠近乘员舱和发动机舱处的外部可见板件电泳液流速设置为 400 r/min，其余板件电泳液流速设置为 100 r/min。计算时，模拟实际电泳工况将 A 柱连通电极负极，电泳槽中的阳极管束接通到直流电正极，整个泳槽将形成一个电流回路。同时，根据生产线的生产节拍设定计算时 A 柱在电泳槽中的运动轨迹。A 柱外围板内侧计算结果如图 3 所示，A 柱加强板膜厚分布情况如图 4 所示。对比图 3 和图 4 可知，A 柱外围板内侧与 A 柱加强板膜厚分布趋势基本相同，且车门上安电铰链和后视镜安装处之间膜厚较低，这主要是由于 A 柱外围板内侧与 A 柱加强板间的空腔间隙较小致使电泳涂膜不良。在电泳涂装过程中，由于电泳液中的涂料粒子带有正电荷性质，在电势的作用下将不断向车身表面低电势处泳动，最终附着在车身表面，形成电泳涂膜。因此，在涂料特性一定的情况下，板件间的空腔大小及形状直接影响到电泳液的流动性能，对电泳涂膜质量有重要影响。而 A 柱整体区域狭小、结构件较多、加强板外围板贴合度高，致使流入 A 柱内腔的电泳液较少同时泳液流通性能差，导致该处膜厚偏低，这也与实车拆解试验高度吻合。A 柱的涂膜质量不仅对车身防腐抗锈特性有重要影响，同时与车身碰撞安全性能密切相关。因此，需要对 A 柱上半段进行优化改进，改善电泳涂膜质量。
2.3 优化与改进
改善电泳涂膜质量的方法较多，优化车身结构是最直接有效的方法，但会耗费大量人力和财力、 对车身开发周期也会有重大影响，工程中基本不用；在不改变车身结构前提下，通过优化电泳电压、 电泳时间和涂料参数也可以有效提高涂膜厚度然而这种方法会增加相应的车身开发成本，工程中应用相对较少。相比之下，通过在车身板件上开孔、 扩孔的方法简单易行，优化成本低，是改善局部部 件电泳涂膜不良最常用的方法。因此，本文在尽量减小对碰撞安全的影响前提下，在 A 后视镜安装孔下方区域开 3 个 R=10 mm 圆孔，改善电泳液流入腔体，同时增加电泳液在该区域的流动性。优化后，计算结果如图 5、图 6 所示。对比图 3 与图 5 和图 4 与图 6 可知，优化后 A 柱上半段涂膜效果有了明显的改善。从图 6 中可以看出，在越靠近孔的区域，电泳液流动状态越好，涂膜厚度越高；随着位置点不断远离孔区，电泳液流速减低，涂膜厚度逐渐降低。在图 5 中，靠近开孔区域的涂膜厚度也明显提高，厚度分布趋势与图 6 相近，在开孔正对位置处膜厚明显高于其他区域，这也再次说明开孔对该区域涂膜厚度改善具有重要影响。但由于 A 柱外围板与加强板间间距较小，两板间的空腔狭长，泳液流动阻尼大，泳液从开孔处进入空腔后速度迅速衰减，随着距离增加泳液流速逐渐趋近于零，涂膜厚度也随之慢慢降低。
因此，在图 5 和图 6 中孔位附近膜厚较高，而随着泳液流速降低，膜厚也逐渐变低，在孔位周围形成一个圆形的高膜厚区域。
通过开孔优化方法，开孔位置附近膜厚较低区域明显减少，外围板内侧与加强板的涂膜质量得到了较好的改善，A 柱整体电泳涂膜质量得到提高，有利于提升车身的防腐抗锈性能，对改善车身疲劳强度和碰撞安全都有重要意义。
3 结论
本文以某实车模型 A 柱为研究对象，分析电泳过程中 A 柱涂膜状态，得到了 A 柱电泳膜厚分布趋势云图，提出了相应的优化方案，并进行计算验证。主要结论如下:
1) 由于加强板与外围板间间隙较小，不利于电泳液流入，原模型 A 柱后视镜安装位置下方至车门铰链安装孔间，涂膜厚度较低，电泳质量差，存在锈蚀的隐患；
2) 在尽量不影响车身整体结构强度的前提下，通过开孔方法，改善电泳液在板件空腔中的流动状态，有效地提高了 A 柱电泳涂装质量，对实际生产具有指导意义。
参考文献
[1] 盛治华,洪子文 . 电泳模拟分析及其应用[J]. 上海汽车,2013(7):53-57.
[2] Virtual Paint Shop Brochure. CADFEM GmbH,2010.
[3] 王玮,周巧煜,徐春 . 数值模拟在汽车电泳涂装中的应用[J]. 现代涂装,2015(18):56-59.
[4] Ecoatmaster2015-help 文档[EB/OL].
www.elsyca.com. [5] 王锡春 . 汽车涂装工艺技术[M]. 北京:化学工业出版社,2005:55-56.
[6] 张静宜,张玉聪,武英杰 . 电泳气泡露底缺陷原因分析及解决措施[J]. 电镀与涂饰,2015(6):335-338.
