電泳槽內水平段汽車白車身的氣動力數值模擬

王東屏，陳濟臣，賴宇陽，油忠超

(1.大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028； 2.北京樹優信息技術有限公司，北京 100062 )*

電泳槽內水平段汽車白車身的氣動力數值模擬

王東屏1，陳濟臣1，賴宇陽2，油忠超1

(1.大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028； 2.北京樹優信息技術有限公司，北京 100062 )*

針對白車身在電泳槽中運行過程的實際情況，建立了三維計算模型.基于日本CRADLE公司的SC/Tetra軟件，利用八叉樹方法對含有白車身的電泳槽模型進行了網格劃分，應用k-ε標準湍流計算模型和SIMPLE算法對電泳槽中白車身外流場進行流場模擬分析.文中采用靜網格模型和動網格模型兩種不同方法對流場進行了模擬計算并對計算結果進行了對比.計算表明，兩種方法所得結果相對誤差小于4.96 %，說明計算結果可靠.計算得到汽車白車身在電泳槽水平運行時阻力值約為17.89 N，橫向力值約為1.85 N，升力值約為522.36 N，計算結果為電泳生產線中遇到的脫鉤、車身傾斜和車身顛覆等問題的解決提供了參考數據.

數值模擬;電泳槽;汽車白車身;氣動力

0 引言

隨著汽車工業的快速發展，我國汽車涂裝技術水平有了十足的進步，許多涂裝技術和工藝水平都達到了世界的前列[1].汽車白車身涂裝中電泳過程占據著十分重要的位置，電泳是現在汽車涂裝工藝中最主要的手段.在常見的汽車量產生產線中，通常需要沖壓、焊裝、涂裝、總裝這四大工藝[2].現代涂裝工藝過程日益復雜，但無論如何復雜都可以把整個過程的工序分為前處理、涂裝、烘干、面涂等工序[3].在這四道工序中涂裝工序是重中之重.

國內外學者對汽車在電泳槽中運行的狀況進行了模擬計算.高先海[4]運用商用軟件Fluent對汽車駕駛室在電泳槽中運行的阻力進行了CFD模擬計算，獲得汽車駕駛室在涂裝電泳槽中運動過程獲得的阻力，得出速度越大阻力越大，車身剛剛運動時所受阻力達到最大值.2014年肖宇[5]發明了一種新型的汽車仿真裝置，該裝置優化電泳部件，能夠在實驗室內模擬不同工藝條件下的電泳狀態.FU Chang-Yong[6]研究了涂裝電泳槽內空氣污染、泡沫盒收縮的問題，對涂裝電泳槽的各種環境都進行了研究.

涂裝電泳槽的研究一直都是汽車流水線上重要的一部分，很多學者對汽車涂裝電泳過程中出現的車身傾斜、車身顛覆和運動裝置脫鉤的問題進行了大量研究，但并沒有針對這些問題得到可靠的理論數據.SC/Tetra是日本CRADLE軟件公司于1998 年推出的CFD軟件.該軟件在汽車、電站、國防、旋轉機械、環境等領域得到了廣泛的應用[7- 8].

本文通過建立白車身模型和電泳槽模型，利用SC/Tetra軟件對白車身在電泳槽中的運行進行了數值計算.采用靜網格和動網格兩種方法仿真模擬出白車身在電泳槽中運動時車身周圍的壓力變化、速度變化，得出在涂裝工藝生產線中汽車白車身在電泳槽內水平運動阻力值、浮力值和橫向力值，對已有電泳生產線中遇到的脫鉤、車身傾斜、車身顛覆等問題的修正提供數據支持.

1 靜網格數值計算模型

創建白車身電泳方案中車身水平段運動的分析模型，采用車靜止，電泳液繞著車身運動的靜網格模型.

1.1 汽車白車身模型

利用專業的建模軟件Pro/E根據實際模型建立了汽車白車身3D模型，為了更好的體現汽車的平穩性同時也為了提高網格質量和運算速度，在保證計算準確的情況下省去了不必要的細小特征，其中汽車白車身長5.2 m，寬2.1 m，高1.36 m.

圖1為電泳槽計算模型圖.電泳槽長24 m，寬2 m，高4 m.車體距自由液面0.7 m，車身位于槽中間位置，槽中為電泳液.

圖1 靜網格計算模型

1.2 網格劃分

網格的精細度對于模擬計算的精度有很大影響，網格劃分得越多，流體運動軌跡越清晰.對于復雜計算域，根據計算域大小制定不同的網格劃分方案[9].良好的網格質量對計算精度有非常重要的影響，為了更準確的模擬計算汽車白車身在電泳槽中運動所受的阻力、橫向力和升力變化，對汽車白車身車體近壁層區域的網格進行細化.

如圖2，采用四面體網格，車體表面劃分兩層邊界層，網格從車體周圍逐漸增大，遠離車體的網格采用稀疏的網格，計算域中的整體網格數為1 010萬.網格質量良好.

圖2 計算模型網格

1.3 計算參數設定

計算模型參數設定中，車靜止,電泳液以0.129 3 m/s的速度相對車體運動，電泳槽右側設為速度入口，左側設為壓力出口.電泳槽底面采用移動壁面相對速度為0.129 3 m/s，頂部設為壓力出口，其他壁面設為固定壁面.

設置工作環境：電泳液密度為1 030 kg/m3，溫度為288 K，動力粘度為0.245 Pa·s，運用k-ε標準湍流計算模型和有限體積法對模型進行計算.

1.4 計算結果分析

圖3為計算殘差曲線，隨著計算的進行曲線趨向于收斂.迭代3 000步，計算收斂，收斂精度為10-5.

圖3 計算殘差曲線圖

如圖4所示，在重力作用下，電泳槽內壓力從上往下逐漸增大.車頂最大壓力為7 205.10 N，車低壓力為20 869.1 N，車頭壓力明顯大于車尾部壓力.

圖4 車體縱向對稱面壓力分布圖

如圖5可以看出電泳液從車體周圍流過并從車窗進入車體內部，并在車頭和車尾部形成渦流，在車體頭部和車窗頂部局部速度變大.

圖5 速度矢量圖

從表1可以看出采用靜網格計算方法白車身在電泳槽中所受阻力、橫向力和升力的大小.電泳液對車身的橫向作用力基本對稱，橫向力很小.由于電泳液速度較低，車體的阻力較小.升力較大，車身產生的顛覆力矩就大，升力是影響車體顛覆和傾斜的主要原因.

表1 靜網格下白車身受力值大小 N

2 動網格數值計算模型

動網格計算模型劃分為A、B、C三個區域，區域B包含著車體以一定速度在電泳槽中勻速運動，A為拉伸區域，C為壓縮區域.

2.1 汽車白車身模型

對白車身采用動網格模型進行模擬計算，B作為車身運動區域，A和C分別作為動網格計算模型的前后運動區域，汽車白車身長5.2 m，寬2.1 m，高1.36 m.

圖6為電泳槽動網格計算模型圖.車體位于電泳槽中，電泳槽長24 m，寬2 m，高4 m.車體距自由液面0.7 m，槽中為電泳液.

圖6 動網格計算模型

2.2 網格劃分

如圖7，采用動網格，首先對車體周圍小區域B進行網格劃分，兩層邊界層，網格從車體周圍逐漸增大.A和C區域是以B區域網格為基礎進行拉伸的，其中A區域以0.98的縮小比例拉伸35層，C區域以1.02的伸長比例拉伸35層.

圖7 計算模型網格

對車體近壁層區域依然采用四面體網格進行網格劃分，計算域中的整體網格數為2 354萬，網格質量良好.

2.3 計算參數設定

動網格模型，白車身周圍區域B以0.129 3 m/s的速度向X正方向運動，車身定義為moving wall，車動引起車體周圍電泳液的擾動.電泳槽的上表面作為壓力出口，右側設為壓力入口，左側作為壓力出口.其他壁面設為固定壁面.

電泳液的參數設定及湍流模型的選取與靜網格計算時一致.

2.4 計算結果分析

圖8是汽車白車身運行到電泳槽中間位置時的壓力分布圖.能夠看出電泳槽內壓力主要分布規律是從上往下逐漸增大，其中車頭壓力明顯大于車尾部壓力.

圖8 車體縱向對稱面壓力分布圖

隨著白車身在電泳液中的運動，車頭處電泳液速度明顯大于車尾處，車體內部電泳液的流動引起小范圍的渦流.

表2可以看出，白車身在電泳槽中采用動網格的運動模型，分別產生阻力17.89 N、橫向力1.85 N和升力522.36 N.

表2 動網格下白車身受力值大小 N

3 對比分析

文中運用不可壓縮的力學模型，采用了靜網格和動網格兩種不同的計算模型對汽車白車身在電泳槽中運動情況進行了數值模擬計算.

圖9顯示了在靜網格和動網格兩種計算模型下車身表面壓力分布圖，兩圖車身壓力都是從車頂向車身底部逐漸增大的趨勢.

圖9 汽車白車身兩種模型下壓力分布圖

在兩種計算方法下，分別取車頂、車底、車左側和車右側面的同一位置的壓力值，如表3所示.

表3 兩種模型在車表面同一位置壓力值大小對比 Pa

對比表3可以看出，車頂、車底、車身左側、車身右側在同一位置的壓力誤差分別為1.54%、0.85%、0.57%和0.65%，各壓力相對誤差較小，兩種方法所得白車身表面壓力分布基本保持一致.

對比表4數值，可以獲得汽車白車身在電泳槽中受到的各個方向作用力的大小.阻力值相對誤差為3.76%.橫向力相對誤差為4.96%，升力值相對誤差為0.41%，各氣動力相對誤差小于等于4.96%.兩種方法計算結果基本一致.

表4 兩種模型白車身受力值大小對比 N

4 結論

文中采用靜網格模型和動網格模型兩種數值計算方法分別對汽車白車身在電泳槽中運動進行了模擬計算，并對計算結果進行分析得出以下結論：

(1)采用靜網格和動網格兩種計算方法所得到的車身表面壓力分布規律基本一致.汽車白車身在車頂、車底、車身左側和右側在同一位置壓力的相對誤差均不超過1.54%;

(2)采用靜網格和動網格兩種計算方法，得到汽車白車身的阻力、橫向力和升力相對誤差不超過4.96%.各方向作用力大小基本一致，計算數據具有較大可靠性;

(3)兩種計算方法得到的升力分別為520.22 N和522.36 N，升力值較大，是影響車身脫鉤、傾斜和顛覆的主要因素.

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[4]高先海,張帥,張宗元,等.涂裝電泳槽內汽車駕駛室的運行阻力數值模擬[J].汽車零部件,2012(9):77- 79.

[5]肖宇,荀華杰,徐中瓊.汽車電泳仿真裝置:中國,CN201410068417.1[P].2014- 09- 26.

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[9]劉海鋒.網格結構精細化有限元分析方法研究[D].浙江:浙江大學,2010.

Numerical Simulation of Aerodynamic Force of White Car Body Running in Horizontal Section of Electrophoresis Tank

WANG Dongping1，CHEN Jichen1，LAI Yuyang2，YOU Zhongchao1

(1.School of Mechanical Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China; 2.Beijing SOYOTEC.Co.,Ltd，Beijing 100062,China)

According to the actual situation of the white car body running in the electrophoresis tank,a three dimensional calculation model was established. Based on SC/Tetra software of Japan CRADLE company,mesh of electrophoresis tank which contains the white car body was divided in using the octree method.The outflow field of the white car body running in the electrophoresis tank was analyzed byk-εstandard turbulent flow model and SIMPLE algorithm.Two methods of moving grid and static grid were used to simulate calculation,and results were compared in this article.The result show that the relative error of the results of the two methods is less than 4.96%,and the calculation results are reliable.The resistance value is about 18 N,the transverse force value is about 1.8 N,and the lift value is about 520 N for the white car body.

numerical simulation;electrophoresis tank;white car body;aerodynamic force

1673- 9590(2017)05- 0033- 04

A

2016- 10- 10

王東屏(1962-)，女，教授，博士，主要從事空氣動力學相關研究 E-mail:wdp1962@163.com.