电泳膜厚CAE仿真分析及其应用

史述龙 杨春伟 潘伟

摘要：基于计算机行业的迅速发展和有限元分析方法在模拟分析软件中的运用日益成熟，电泳膜厚CAE分析软件在计算精度、工作效率、软件操作等方面都取得了很大进步。利用CAE分析软件，在设计阶段即展开产品的电泳膜厚分析，对电泳不良部位进行结构优化，不仅能提高产品最终的防腐性能、缩短开发周期，同时也能避免在产品数模冻结后，因电泳质最问题对大型模具进行调整，从而降低产品的开发成本。本文主要对ED膜厚CAE仿真软件的原理、流程，以及在某款车型上的应用进行了简要介绍。

关键词：有限元;电泳涂装;CAE;电泳膜厚

引言

汽车涂装的作用主要有两点：一是保证车身钣金的防锈蚀能力，二是提高车身的商品性，使其外观更具吸引力。两者中，防锈蚀能力保证是涂装工艺最基础、最重要的功能。

就目前汽车制造行业的主流涂装工艺而言，阴极电泳仍然是保证车身钣金防锈能力的主要工艺手段，电泳膜厚则是评价防锈能力的主要衡量基准。但是，阴极电泳成膜过程非常复杂，最终膜厚受槽液组成参数（固体份、灰分、MEQ、溶剂含量）、电泳条件参数（槽液温度、电压、时间）、槽液特性参数（电导率、pH）和电泳特征参数（库仑效率、最大电流、泳透力）等众多参数的影响^[1]。且各参数之间存在关联性，一个参数变化，会引起其他关联参数同时变化。所以，依据经验只能定性判断哪些部位可能出现膜厚不足的问题，无法预估具体的膜厚数据。另外，因電泳膜厚与车身的钣金结构（形状、开孔位置、孔径、钣金间隙等）密切相关，在一个车型上积累的经验很难适用于其他车型。

CAE仿真模拟分析软件为电泳膜厚评估提供了新的解决方案。

1 CAE软件的工作原理

ECnalMaster是目前行业内主流的电泳模拟仿真分析软件之一。该软件利用有限元方法，通过电化学方程逻辑运算来模拟电泳成膜过程，借助计算机强大的计算和数据处理能力进行求解计算，最后输出车身电泳膜厚分析结果。

其理论方程如下：

多离子传输模型

电极动力方程 n=v-u-f（j）

具体计算过程如下：

（1）利用有限元分析法，根据初始时刻的设定参数，计算出电泳液中的电场分布情况，从而得到车身表面的电流密度;

（2）根据得到的电流密度，计算出设定的单位时间步长内的电泳涂料沉积量，得到该时间内生成的电泳膜的厚度;

（3）根据此时的电泳膜厚，计算出对应的电阻：

（4） 一个时间步长内的计算结束（单位时间步长设定值越小，最终结果越精确，但计算耗时延长。为兼顾计算结果及效率，通常设定为3秒）。

以上一个时间步长结束时的膜厚电阻作为下一个时间步长计算的初始条件，如此循环，直到时间步长的累计时间到达设定值（根据现场实际电泳时间确定），计算结束。此时的膜厚数据即为最终的仿真计算结果^[2]。

2 CAE仿真分析优势

利用CAE模拟软件进行电泳膜厚的分析，主要优势有以下=点：

（1）提高产品的防腐蚀能力。针对某些部位膜厚不足问题，采用经验评估法，理论上应该用实车对每一种方案进行逐一验证，对比膜厚提升效果，从而找出最佳方案。但在实际应用中，由于各种因素的影响，能找到一种方案使问题部位的膜厚达标就已经非常不易，所以通常找到一种有效的方案后就不会再进行其他方案的验证，其他对品质提升更好的方案很可能因此不能被发现和采用。利用CAE软件，可以快速、直观的提供不同方案对膜厚提升的效果，帮助设计人员找到最佳方案，从而提高产品的防腐性能。

（2）缩短产品的设计周期。随着汽车行业竞争的加剧，产品的投放速度越来越快，对产品的设计周期提出了更高的要求。传统试验法，一次设计变更的验证时间大约需要三个月（包含图纸修改、模具调整、实车加工等过程），而利用CAE软件分析只需要一周，大大加快了产品结构设计的熟成速度，缩短了产品的设计周期。

（3）降低产品的开发成本。因为用“软模”加工的车身精度不高，且数量有限，所以前期用软模加工的车身只适用于电泳外观晶质的确认，内腔的品质确认通常发生在产品数模冻结以后，用“硬模”加工的车身进行。此时模具已经定型，如果为了提升内腔膜厚再对相应钣金做设计变更，将会带来高昂的模具修理成本。同时，与设变部位相关的强度、振动、噪声等性能需再次验证，由此带来的人工成本也不利于新车型的成本控制。CAE模拟软件只需要产品数模即可，分析后若有问题，直接修改数模进行二次计算，无问题后再进行数模冻结，及相应的模具加工，从而降低后期结构、模具更改的概率。

3 ECoatMaster在汽车电泳涂装方面的应用

3.1基础资料准备

3.1.1电泳槽模型构建

用CATIA软件按1：1比例建立电泳槽模型，确定有限元计算的空间边界。除槽体尺寸外，阳极管的形状、尺寸、数量、在槽体内的分布位置等信息也非常重要，因为阳极管直接决定电场的分布，对最终结果影响很大。另外，车身在槽体内的运行轨迹、电压启动程序（电压分段情况及对应电压值、每段电压启停控制点、每段电压通电时间）、实际电泳时的车身全浸没时间、生产线链速等参数也需要与实际保持一致。模型建好后，用软件自带的的EMT模块对槽体进行网格划分（如图1所示）。

3.1.2涂料测试

在仿真分析中，必须获得精确的槽液特性参数作为计算的输入条件。通常取现场使用的电泳涂料样品，对其在不同流速、电压、电流等条件下的动力学性能进行测定，得到槽液的电导率、油漆阻抗和油漆生长因子等特征参数。其中槽液在不同板材上的电泳沉积性能需要重点关注和检测。同时，为了更好的了解槽液在不同板材卜的沉积能力，还必须做不同工艺参数下DOE分析。另外，为保证最终计算结果准确性，实验所用的板材必须和实车使用的板材一致，而且板材也要经过和车身实际加工时一样的脱脂、表调、磷化，以及烘烤等处理。

通过实验将所需数据全部测定完成，经拟合修正后导人软件涂料性能参数数据库，供计算时调用（如表1所示）。

3.1.3车身数模处理

为了提高仿真计算的速度，及减少计算时软件报错的概率，需要对车身每个零件数模的完整性、是否有错位、干涉等情况进行逐一检查确认，删去焊点、螺栓（母）、胶条，以及设计时的辅助线、面等对计算结果没有影响的数据。需要格外注意的是，因最终提交软件计算的数模必须带有料厚，如果原始数模为片体，则必须进行手动加厚处理，否则后续计算无法进行。零件数模处理完毕后，将所有零件装配成完整车身，并参照实车加工条件，将引擎盖、四门、尾箱盖等部件打开相应角度（如图2所示），尽量使数模状态与实车加工时装上工装夹具后的状态一致，从而提高计算结果的准确性。

3.1.4参数设置

在软件相应模块中对车身运行轨迹程序、电压启动程序、时间步长程序、电极等相关参数进行设定，为计算提供运算环境支持。

3.2模拟分析

3.2.1整车网格划分

准备工作完成之后，将处理好的车身数模（STL文件）导人软件，用软件自带的EMT模块对整车进行网格划分（网格划分时间根据车身数模大小、结构复杂程度而异，通常需要一天左右）。

3.2.2宏观（整车）膜厚计算

网格划分完成后，将车身数据提交软件进行宏观膜厚计算。宏观膜厚计算完成后，软件会输出之前设定的每一个时问步长结束时的整车膜厚状态（以不同颜色表示膜厚的厚薄，如图3所示），以便于对成膜的过程进行观察（如车身各部位成膜的先后顺序，成膜的速率等）。选取最后一个时间步长的计算结果（即最终的仿真结果，如图3所示），用Xploer模块打开，通过颜色，可以判断出膜厚不足部位。

需要指出的是，因为整车网格数量巨大，而膜厚计算需要对每一个网格内的膜厚进行积分求解，因此宏观膜厚（整车膜厚）的计算量非常庞大，为了兼顾计算效率，在进行整车网格划分时，不宜将网格划分得很细（网格精度值设定在0.005-0.01）。而且，相对于外板而言，内腔膜厚更容易受钣金结构影响。因此，虽然宏观计算结果可以看到车身内腔的膜厚状态，但其计算结果的精度远远不及外板，达不到指导分析的要求。为了得到准确的内腔膜厚结果，就需要对重点关注的部位进行更精细的网格划分（网格精度值设定在0.0005-0.001），并进行二次计算，称之为“微观计算”。宏观计算的目的在于，得到准确的外板膜厚结果，同时为微观计算提供计算环境，例如与电场的分布数据，微观计算可直接调用。

通过图三可以发现，整车外板的膜厚已达到17 μm左右，满足质量要求。但B柱内腔的膜厚最低只有4μm左右，不满足质量要求。为了更准确的了解B柱内板的膜厚状态，需要对B柱进行微观计算。

3.2.3微观（局部）计算

用ZOOMBOX将B柱需要重点计算的部位从整车数模上截取出来，重新进行更精细的网格划分，并导入软件进行再次计算（如图4所示）。从该结果上可以看出，B柱加强板下部深蓝色区域电泳膜厚不足，随机选取该区域内的点测量，发现平均膜厚仅为0 9μm左右，远低于5μm的膜厚下限要求，发生锈蚀的风险很高。

3.2.4解决方案验证

针对B柱加强板锈蚀问题，利用软件自带的开孔功能，在蓝色区域不同部位开孔后进行模拟计算验证。根据膜厚提升效果，并从开孔的便捷性、成本、强度等方面综合评估，确定了最佳的解决方案，结算结果如图5所示。新开两个Φ20mm的孔后，原膜厚不足区域颜色已由深蓝色变成淺绿色，平均膜厚由0.9 μm提升至6.7μm，达到质量标准。

3.3模拟分析结果与实车结果对比

为了验汪CAE软件模拟计算结果的精度，我们将实车解剖后对各部位的膜厚进行测量，并与模拟计算结果进行了对比，宏观、微观，及膜厚不足区域形状对比结果分别如图6、图7、图8所示。

从上述对比结果中可以看出，模拟分析与实测数据的变化趋势相同，偏差基本在2μm以内，模拟分析膜厚不足的问题在实车上确实存在，部位及形状与实车一致。

4 结语

随着技术的进步和发展，目前电泳膜厚CAE仿真软件已经能将计算偏差控制到2μm的范围内，其精度远高于传统的经验评估法，计算效率也有了很大提高，因而越来越多的车企已开始使用CAE软件开展新车型的电泳膜厚（品质）分析。

但是，目前的电泳仿真软件仍存在以下可以改善的问题，一是计算周期长，进行一轮完整的计算仍需要一周左右，通过优化软件计算方法，计算时间可以进一步缩短，同时降低对计算机硬件要求;二是软件对车型数模的质量要求较高，导致前期数模处理工作量较大;三是宏观计算时，车身内腔的膜厚精度不高，高精度的内腔膜厚需要分部位单独进行微观计算。

得益于CAE仿真软件分析的诸多优势，汽车设计阶段开展电泳膜厚的仿真分析已成为一种趋势。随着客户的需求越来越高，供应商应在软件的操作便捷性、计算效率提升、精度提升方而做出更多研究和努力。

参考文献：

[1]王锡春涂装车间设计手册北京化学工业出版社2008.第50页.

[2]盛治华，洪子文电泳模拟分析及其应用上海汽车2013.07.

[3]田冰星，苏小亮，张新旺，张宇，雷先华轿车车身电泳涂装工艺仿真分析《第八届中国CAE工程分析技术年会暨2012全国计算机辅助工程（CAE）技术与应用高级研讨会论文集》. 2012.

[4]王玮，周巧煜，徐春数值模拟在汽车电泳涂装中的应用《现代涂料与涂装》2015年10期.

[5]张先锋，郑勇，刘翔，孙俊，徐中琼解决汽车车身内腔电泳漆膜上膜的工艺分析[A].第三届中国重庆涂料涂装学术大会论文集[C].2008年.

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