車身結構設計對汽車耐腐蝕性能的影響研究

胡桂金

摘 要：為解決某車型的后大梁生銹問題，進行了電泳仿真模擬分析，得出了漆膜厚度不足的區域。做出了三個優化方案進行仿真分析，對比了漆膜厚度的變化，得出最優的更改方案并進行實車驗證。驗證結果表明該更改方案的漆膜厚度能滿足車身的防腐性能要求。該分析方法能應用于車身的防腐性能提升以及車身結構設計時的防腐問題發現。

關鍵詞：防腐；電泳；漆膜厚度；仿真分析

中圖分類號：U270.32 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2017）04-0092-05

Abstract： In order to solve the problem of rear rail corrosion of a vehicle， the electrophoresis simulation analysis had been performed， and the areas of paint-coat lack had been found. Three cases had been made to have the simulation contrastive analysis of the paint-coat thickness， and the optimal case was used to take the real vehicle test. The test result showed that the paint-coat thickness of the optimal case could meet the requirement of the anti-corrosion performance. This analysis process can be used for anti-corrosion performance improvement and corrosion problem-finding in the body structure design process.

Key Words： Anti-corrosion； Electrophoresis； Paint-coat thickness； Simulation analysis

1 前言

在汽車車身結構設計中，通過合理的開孔、間隙的設計可以提高汽車的電泳漆膜厚度，從而提高汽車車身的耐腐蝕性能[1-3]。然而，在實際的設計中，因為缺乏相關的分析方法，往往要到實車驗證時才發現某些區域的電泳漆膜厚度不足，此時再更改設計就會增加大量的工程更改費用，同時還可能會影響項目的開發進度。在本文中，通過實車的腐蝕問題反饋，利用相關的電泳分析軟件E-Coating Master來對漆膜厚度進行分析，并通過漆膜厚度實測進行驗證，最終確定此分析方法的有效性和可行性，為以后車型的開發提供分析的方法和依據，提高了后續車型開發的質量和效率。

2 腐蝕問題描述

某MPV車型在完成整車可靠性路試后進行拆解，發現后大梁中部的腔體內有生銹的跡象（見圖1），此程度的生銹屬于不可接受狀態，如果該車繼續使用，后大梁很可能會銹蝕穿孔，從而影響后大梁的承載能力，并影響整車的安全性能。

為了使車身具有良好的防腐性能，車身的漆膜厚度應不小于10μm[4]。而對該生銹區域的漆膜厚度進行測試發現，生銹區域的漆膜厚度僅為3μm，說明該處的結構設計不利于電泳上漆，必須對其進行整改，以增大該區域的漆膜厚度，滿足車身防腐的要求。

3 理論分析

車身的漆膜厚度受到到涂裝車間中電泳泳透力的影響。而泳透力是電沉積涂料在規定的電壓和時間內對涂物背離電極部位的涂覆能力，其理論模型見公式（1）[5]。

由式（1）可以看出，在涂裝工藝及材料的參數（R、ρ）不變的情況下，為了提升泳透力，可以通過提高電力線進入斷面面積a來實現。而對于車身結構中的封閉腔體，電力線進入斷面面積即為腔體周邊相應的電泳工藝孔的面積。同時可以看到，在一定電泳工藝孔面積的情況下，泳透力也是一定的，對于大面積的腔體結構而言，需要在多個區域增加電泳工藝孔以達到多個區域的電泳涂層厚度要求。

4 電泳仿真模擬分析

在本文中，使用電泳仿真軟件E-Coating Master對該區域的漆膜厚度進行分析。E-Coating Master是比利時Elsyca公司和德國大眾聯合開發的軟件，之前成功的應用于途觀、高爾夫7等車型涂裝設計。在國內，汽車的防腐性能也越來越受到重視，以往依靠經驗來進行車身的防腐設計已經遠遠不夠，所以也需要使用CAE手段來進行輔助設計，以提高車身防腐設計的效率。

4.1 分析步驟

E-Coating Master軟件計算電泳漆膜厚度的步驟如下：

1）工藝參數建立——包括電泳槽電壓、槽液流速、槽液導電性能等涂裝參數的確定，并將其輸入至軟件中；

2）電泳槽建模——根據電泳槽尺寸、電極尺寸及排布建立電泳槽模型；

3）車身網格劃分——對車身網格進行劃分，重點關注部位可將網格進行細化以提升該區域的計算精度；

4）求解計算——將建立好的電泳槽模型和車身網格模型在軟件中進行計算；

5）讀取計算結果——使用后處理功能查看計算結果，從結果云圖可以查看各區域的漆膜厚度情況，并按需要讀取關鍵位置的漆膜厚度。

4.2 分析結果

使用E-Coating Master對發生腐蝕問題的MPV車型進行計算，分別查看生銹區域后大梁腔體內各零件的漆膜厚度情況，其結果如下：

由分析結果可以看出，后大梁上表面和后大梁加強板下表面的局部區域的漆膜厚度嚴重不足，甚至已經到了0μm；而其他部分區域的漆膜厚度也沒有達到10μm的要求。查看該區域的結構發現，后大梁前加強板與后大梁之間的間隙僅有10mm，且沒有任何的工藝孔和型面特征可以讓電泳電力線進入（如圖3），所以該區域根本無法有效上漆。而此處正是實車檢查中生銹最嚴重的區域。

4.3 結構優化

一般來說，優化電泳漆膜厚度的方法主要是更改車身鈑金，使電泳電力線能夠更多的進入腔體中[6]。車身的更改方法主要有增加開孔和增加筋條結構等方法使封閉腔體能夠盡可能多的與外界相通。增加筋條結構往往受到結構限制，而增加開孔則會降低車身的剛度強度等性能參數。為了能夠在滿足車身防腐要求的前提下付出最小的代價，需要對多個方案進行對比分析，最終找出最優的更改方案。

本文中做了三種優化方案，其更改內容詳見圖4～圖6。

4.4 對比分析

分別按照以上三個更改方案進行仿真模擬分析，得到相應的漆膜厚度分析結果，如圖7～圖9所示。

由分析結果可以看出，每一種方案都對漆膜厚度有了一定的提升，而且已經沒有漆膜厚度為0μm的區域出現，說明增加筋條結構和增加開孔有利于提升漆膜厚度。對比這三種方案，方案三增加的孔最多，漆膜厚度也最大；方案二次之，方案一的漆膜厚度則最小。

4.5 強度校核

由于車身開孔以及增加筋條結構會影響車身的強度，所以需要對更改前后的車身強度進行CAE分析校核，主要關注后大梁區域的應力分布情況，如圖10所示。

由圖10可以看出，在車身上增加開孔確實會增大各個區域的應力，但幅度并不大。對比后大梁材料SAPH370的屈服強度225MPa可知，這三個方案均能滿足車身強度的要求。

4.6 方案選定

在實際的涂裝工藝中，腔體內的漆膜包括磷化膜和電泳膜，其中，磷化膜的厚度較為均勻，且只要液體能夠達到的區域均能覆蓋。經查，本公司涂裝的磷化膜厚度約為3μm～5μm。而本文中的仿真分析只針對電泳膜，故分析結果還要加上磷化膜厚度后才是實際的漆膜厚度。同時，使用E-Coating Master軟件進行模擬分析時，由于在電泳槽模型建立過程中采用了理想模型進行搭建，加上實際生產中工藝參數并不穩定，所以理論分析與實際的電泳漆膜厚度會存在一定的誤差。所以，綜合考慮分析誤差和更改代價，選擇方案二作為實車驗證方案進行檢驗。

5 實車驗證

按照4.3中的方案二進行實車驗證，車身經過涂裝后進行割車檢測，對原生銹區域進行漆膜厚度測量，并與原結構的漆膜厚度進行對比，如圖11和圖12所示。

由實車對比可知，結構更改后的漆膜厚度明顯提升，除了個別區域的漆膜厚度稍小于10μm外，其他區域均滿足要求。故更改后的車身結構已基本能滿足防腐性能要求。

6 結論

以解決某MPV車型的后大梁生銹問題為目的，使用E-Coating Master軟件進行了電泳仿真分析。分析結果表明該區域確實存在漆膜厚度不足的問題。分別作了三個方案進行了對比分析，三個方案的漆膜厚度都有所提升。在綜合考慮分析誤差和更改代價的情況下，使用方案二進行實車驗證。驗證結果表明，更改后的漆膜厚度已基本滿足防腐性能要求。所以使用該分析方法能夠很好的解決車身的防腐問題，為車身防腐性能的提升提供解決方案，同時，該方法如應用于更早期的車身設計研發中，也能更及時的發現問題，從而更好的提升車身的防腐性能。

參考文獻：

[1]李彤. 國產汽車防腐現狀及對策[J]. 汽車技術， 2002，4.

[2]吳衛楓， 唐程光， 魯后國， 張朋偉. 乘用車車身防腐設計方法探討[J].汽車工藝與材料， 2015，8.

[3]時秀壘， 張茂松， 李憲濤， 王興華， 劉遺勛. 車身防腐蝕設計及工藝措施[J]. 汽車工程師， 2016，1.

[4]黃建中. 汽車腐蝕與防護技術[M]. 北京：化學工業初版社， 2004.

[5]金超， 李婷婷， 司進華. 電泳工藝孔設計對車身耐腐蝕性能的影響[J].現代涂裝， 2014，18（3）.

[6]李仲奎， 胡文治， 陳孟華. 轎車車身電泳工藝孔設計方法研究[J]. 汽車工藝與材料， 2016，8.