汽車副車架電泳工藝方案設計及其有限元仿真分析

齊軍 盛云

摘要：針對某鋼制前副車架，根據其結構特征設計了兩種吊掛姿態。 通過電泳有限元仿真對兩種掛姿下不同吊掛傾角對應的電泳后氣泡分布、瀝液情況以及膜厚進行分析，獲得了該鋼制前副車架電泳工藝的優異掛姿設計。設計了局部工藝孔對該掛姿下部分區域存在氣泡問題進行改善，并通過電泳仿真試驗進行驗證。最后，結合電泳工藝仿真模擬結果對該前副車架進行電泳試制試驗，驗證了提出的電泳工藝設計方案的優秀性能。

關鍵詞：前副車架；電泳；氣泡；瀝液；膜厚

電泳涂裝工藝的基本原理是指利用外加電場，使懸浮于電泳液中的顏料和樹脂等微粒定向遷移并沉積于金屬基底表面的涂裝方法，包括電解、電泳、電沉積及電滲4個過程[1]。

電泳涂裝是汽車常用的工藝之一，現有研究多集中于車身的電泳仿真與優化。武京斌等[2]簡要地闡述了車身表面電泳膜厚模擬分析、前處理電泳排水排氣能力分析、涂裝機器人涂膠噴漆可達性模擬分析等相關技術。唐競[3]利用有限元仿真分析發現前端設計不佳導致電泳時形成死腔，產生大的氣泡，提出了通過設計工藝孔的方法解決對發動機罩外板內表面前端電泳效果差的問題。董美琛[4]著重介紹了電泳有限元仿真分析軟件在車身涂裝防腐分析中的廣泛應用。雷蕾等[5]介紹了如何在車身防腐性能優化方面應用電泳仿真軟件E-coatmaster評估電泳成膜情況并且提出了改進方案。劉金萱[6]利用電泳仿真分析方法對商用車駕駛室在新產線轉產過程中遇到的積液問題進行了研究并提出了解決方案。

副車架一般在較為惡劣的環境中服役，不僅承受路面的各類載荷作用，且極易受到碎石等硬物的沖擊，并會長期經受雨水等環境的侵蝕。表面防銹防腐處理不僅會影響其外觀，更直接關系到副車架全壽命周期內的結構性能。本文以自主研發的某鋼制前副車架為對象，通過電泳工藝的有限元仿真，對其電泳工藝方案進行設計，并驗證了工藝方案的優異性能。實現了從設計階段即可避免后期的電泳涂裝質量風險的作用，為利用有限元仿真方法完善電泳工藝方案設計提供了良好的參考作用。

有限元仿真試驗

1.電泳工藝有限元仿真流程

副車架電泳工藝有限元仿真的流程如圖1所示。關鍵要素在于輸入收集、電泳仿真的設置以及結果的后處理與分析。

電泳工藝仿真需要能夠模擬電泳槽的實際狀態。因此，仿真前需要收集電泳槽的相關信息主要如下[2]：

1）電泳槽泳透力盒測試數據。

2）電泳槽在線電壓數據。

3）量產副車架的實際膜厚，用來校準、標定電泳槽液參數。

4）其他電泳槽相關信息。

本研究通過使用本企業的量產電泳槽完成了上述相關信息的搜集。

2.電泳仿真有限元建模

副車架電泳仿真模型包括兩部分：一部分是副車架結構有限元模型，另一部分是電泳槽的有限元模型。

為提高建模與計算效率，采用三角形殼單元對前副車架進行了有限元網格劃分。前副車架的有限元模型如圖2所示，共約65萬個單元，32萬個節點。為避免有限元仿真計算不收斂的情況出現，有限元模型根據實際結構設計情況使各個表面封閉。

電泳槽的有限元模型采用四面體實體單元，如圖3所示，共約660萬個單元，122萬個節點。在電泳槽中按一定的姿態放置前副車架，得到前副車架電泳工藝仿真的有限元模型。

電泳槽的相關參數與設置數值對應相關電泳工藝不會有太大變動。因此，電泳工藝方案的設計關鍵在于吊掛姿態的設計和結構傾角的選定。

根據副車架的結構形式，設計兩種吊掛姿態。圖4所示為吊掛姿態一（簡稱掛姿一），通過調整掛載點1和掛載點2的高度，使副車架在電泳槽中呈一定的傾角。圖5所示為吊掛姿態二（簡稱掛姿二），同樣通過調整兩個掛載點的高度，實現傾角的調整。

兩種掛姿下，傾角對最終的電泳效果會產生較顯著影響。利用電泳有限元仿真方法對在不同傾角下的兩種吊掛姿態進行仿真分析，改善副車架的吊掛傾角和吊掛姿態。

仿真結果與討論

1.掛姿一仿真結果

圖6和圖7所示為掛姿一在不同傾角下的氣泡與瀝液仿真結果。吊掛傾角為0°時，氣泡與瀝液的體積最低。0°掛姿下電泳的膜厚與氣泡分布仿真結果如圖8所示。 其中，除副車架的外表面氣泡、瀝液區域外，膜厚均為36.8～40.8?m；副車架內部腔體的表面膜厚24.7～40.8?m，腔體內表面（圖8中黃色部分）膜厚為24.7～28.7?m。氣泡的分布情況如圖9所示，主要集中在三個區域：區域1梁內夾角為1.4cm?，區域2支架夾角為5.1cm?，區域3支架夾角為1.2cm?。

2.掛姿二仿真結果

圖10和圖11所示為掛姿二在不同傾角下的氣泡與瀝液仿真結果。吊掛傾角為0°時，氣泡與瀝液的體積最低。0°掛姿下電泳的氣泡分布與瀝液情況仿真結果如圖12和圖13所示。圖12中氣泡主要集中在兩個區域：區域1腔體外氣泡尺寸約為10.8cm?，區域2支架夾角處氣泡尺寸約為1.0cm?。圖13中瀝液殘留集中在兩個區域：區域3，支架夾角處約為4.1cm?，區域4，支架夾角處約為1.8cm?。

3.方案確定與優化

通過電泳有限元分析對比氣泡、瀝液、膜厚結果發現，掛姿二對應的氣泡、瀝液區域大而多。因此，掛姿一相對于掛姿二具備更加優良的電泳效果，其特點在于兩個掛載點保持水平，使副車架與水平面的傾角為0°。

該掛姿能夠保證副車架結構表面的膜厚滿足24.7～40.8?m的設計要求。針對三個區域存在氣泡的問題，本研究提出在區域1、區域2與區域3（見圖9）各增加一個工藝孔的設計方案，以避免氣泡的產生，如圖14所示。利用電泳工藝有限元仿真對增加工藝孔的方案結合吊掛傾角進行驗證和改善其工藝參數，結果如圖15和圖16所示。

結果表明，吊掛傾角為0°時，氣泡體積最小，瀝液體積也最優。但當吊掛傾角為0°時，支架夾角氣泡尺寸約為1.2cm?。為降低氣泡風險，將該區域的形面由多片體封閉夾角改成一體化曲面如圖17所示。此外，為降低支架夾角的局部區域存在氣泡的風險，提出在該區域開工藝孔的設計方案如圖18所示。

電泳工藝試制試驗驗證

針對仿真結果獲得的電泳工藝設計方案進行試制。試制樣件如圖19所示，電泳后各風險位置均未發現氣泡與瀝液殘留，且測試膜厚均滿足設計要求。結果表明，本文提出的通過電泳有限元仿真改善的電泳工藝方案能夠極大降低副車架電泳工藝出現氣泡和瀝液殘留，并且膜厚滿足設計要求。

結語

為在設計階段規避電泳工藝可能出現的露白、瀝液等工藝缺陷，應用電泳工藝有限元仿真方法對某鋼制前副車架電泳工藝參數設計進行改善，并通過電泳試制實驗驗證，主要結論如下：

1）吊掛姿態一的0°傾角可有效降低氣泡的出現并獲得更加優良的瀝液分布，確定可作為量產的電泳工藝設計方案。

2）通過電泳有限元仿真方法設計電泳工藝設計方案，找出膜厚、氣泡與瀝液分布規律，針對最容易出現氣泡與瀝液的區域，獲得優良的工藝孔的設計與結構局部優化方案。

3）電泳有限元仿真是副車架設計階段的有效工具，在設計初期即可對電泳工藝流程進行模擬仿真，可極大地提升工藝開發效率。

參考文獻：

[1] 宋華．電泳涂裝技術[M]．北京： 化學工業出版社，2009.

[2] 武京斌. 汽車涂裝虛擬仿真的應用[J]. 現代涂料與涂裝，2015，18（8）： 48-50，53.

[3] 唐競. 數值仿真技術在汽車涂裝工藝中的應用[J]．廣東公路交通，2015（2）： 59-61.

[4] 董美琛. 電泳仿真軟件在涂裝防腐方面的應用[J]．現代涂料與涂裝，2018，21（11）： 51-53.

[5] 雷蕾，周傳華，張方祥. 電泳虛擬仿真分析及應用[J]．涂料工業，2018，48（9）：61-65.

[6] 劉金萱，吳有高. 排氣瀝液仿真軟件在涂裝電泳分析中的應用[J]．新技術新工藝，2019（11）：13-16.