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[防腐蚀设计] 车身结构设计对汽车耐腐蚀性能的影响研究

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发表于 2020-3-10 09:36:56 | 显示全部楼层 |阅读模式

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车身结构设计对汽车耐腐蚀性能的影响研究

胡桂金1,李直腾2,韦鸿1
(1.柳州五菱汽车工业有限公司技术中心,柳州545007;2.上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心,柳州545007)
【中国汽车材料网】摘 要:为解决某车型的后大梁生锈问题,进行了电泳仿真模拟分析,得出了漆膜厚度不足的区域。做出了三个优化方案进行仿真分析,对比了漆膜厚度的变化,得出最优的更改方案并进行实车验证。验证结果表明该更改方案的漆膜厚度能满足车身的防腐性能要求。该分析方法能应用于车身的防腐性能提升以及车身结构设计时的防腐问题发现。
关键词:防腐;电泳;漆膜厚度;仿真分析

1 前言

在汽车车身结构设计中,通过合理的开孔、间隙的设计可以提高汽车的电泳漆膜厚度,从而提高汽车车身的耐腐蚀性能 [1-3]。然而,在实际的设计中,因为缺乏相关的分析方法,往往要到实车验证时才发现某些区域的电泳漆膜厚度不足,此时再更改设计就会增加大量的工程更改费用,同时还可能会影响项目的开发进度。在本文中,通过实车的腐蚀问题反馈,利用相关的电泳分析软件E-Coating Master来对漆膜厚度进行分析,并通过漆膜厚度实测进行验证,最终确定此分析方法的有效性和可行性,为以后车型的开发提供分析的方法和依据,提高了后续车型开发的质量和效率。


2 腐蚀问题描述

某MPV车型在完成整车可靠性路试后进行拆解,发现后大梁中部的腔体内有生锈的迹象(见图1),此程度的生锈属于不可接受状态,如果该车继续使用,后大梁很可能会锈蚀穿孔,从而影响后大梁的承载能力,并影响整车的安全性能。

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图1 某MPV车型后大梁腔体内部生锈

为了使车身具有良好的防腐性能,车身的漆膜厚度应不小于10μm[4]。而对该生锈区域的漆膜厚度进行测试发现,生锈区域的漆膜厚度仅为3μ m,说明该处的结构设计不利于电泳上漆,必须对其进行整改,以增大该区域的漆膜厚度,满足车身防腐的要求。

3 理论分析

车身的漆膜厚度受到到涂装车间中电泳泳透力的影响。而泳透力是电沉积涂料在规定的电压和时间内对涂物背离电极部位的涂覆能力,其理论模型见公式(1)[5]。

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式中:Th为管子内涂装高度,单位cm;

a为 电力线进入断面面积,单位cm2;

L为管子内涂装面的底边,单位cm;

R为涂膜阻抗;

ρ为涂料液比阻抗。

由式(1)可以看出,在涂装工艺及材料的参数(R、ρ)不变的情况下,为了提升泳透力,可以通过提高电力线进入断面面积a来实现。而对于车身结构中的封闭腔体,电力线进入断面面积即为腔体周边相应的电泳工艺孔的面积。同时可以看到,在一定电泳工艺孔面积的情况下,泳透力也是一定的,对于大面积的腔体结构而言,需要在多个区域增加电泳工艺孔以达到多个区域的电泳涂层厚度要求。


4 电泳仿真模拟分析

在本文中,使用电泳仿真软件E-Coating Master对该区域的漆膜厚度进行分析。E-Coating Master是比利时Elsyca公司和德国大众联合开发的软件,之前成功的应用于途观、高尔夫7等车型涂装设计。在国内,汽车的防腐性能也越来越受到重视,以往依靠经验来进行车身的防腐设计已经远远不够,所以也需要使用CAE手段来进行辅助设计,以提高车身防腐设计的效率。

4.1 分析步骤

E-Coating Master软件计算电泳漆膜厚度的步骤如下:

1)工艺参数建立——包括电泳槽电压、槽液流速、槽液导电性能等涂装参数的确定,并将其输入至软件中;

2)电泳槽建模——根据电泳槽尺寸、电极尺寸及排布建立电泳槽模型;

3)车身网格划分——对车身网格进行划分,重点关注部位可将网格进行细化以提升该区域的计算精度;

4)求解计算——将建立好的电泳槽模型和车身网格模型在软件中进行计算;

5)读取计算结果——使用后处理功能查看计算结果,从结果云图可以查看各区域的漆膜厚度情况,并按需要读取关键位置的漆膜厚度。

4.2 分析结果

使用E-Coating Master对发生腐蚀问题的MPV车型进行计算,分别查看生锈区域后大梁腔体内各零件的漆膜厚度情况,其结果如下:

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图2 问题车型的电泳仿真分析结果

由分析结果可以看出,后大梁上表面和后大梁加强板下表面的局部区域的漆膜厚度严重不足,甚至已经到了0μm;而其他部分区域的漆膜厚度也没有达到10μm的要求。查看该区域的结构发现,后大梁前加强板与后大梁之间的间隙仅有10mm,且没有任何的工艺孔和型面特征可以让电泳电力线进入(如图3),所以该区域根本无法有效上漆。而此处正是实车检查中生锈最严重的区域。

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图3 后大梁区域截面图

4.3 结构优化

一般来说,优化电泳漆膜厚度的方法主要是更改车身钣金,使电泳电力线能够更多的进入腔体中[6]。车身的更改方法主要有增加开孔和增加筋条结构等方法使封闭腔体能够尽可能多的与外界相通。增加筋条结构往往受到结构限制,而增加开孔则会降低车身的刚度强度等性能参数。为了能够在满足车身防腐要求的前提下付出最小的代价,需要对多个方案进行对比分析,最终找出最优的更改方案。

本文中做了三种优化方案,其更改内容详见图4~图6。

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图4 方案一更改内容(仅更改后大梁前加强板)

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图5 方案二更改内容(在方案一基础上更改后大梁)

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图6 方案三更改内容
(在方案一和方案二基础上更改后大梁)

4.4 对比分析

分别按照以上三个更改方案进行仿真模拟分析,得到相应的漆膜厚度分析结果,如图7~图9所示。

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图7 方案一的漆膜厚度计算结果

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图8 方案二的漆膜厚度计算结果

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图9 方案三的漆膜厚度计算结果

由分析结果可以看出,每一种方案都对漆膜厚度有了一定的提升,而且已经没有漆膜厚度为0μm的区域出现,说明增加筋条结构和增加开孔有利于提升漆膜厚度。对比这三种方案,方案三增加的孔最多,漆膜厚度也最大;方案二次之,方案一的漆膜厚度则最小。

4.5 强度校核

由于车身开孔以及增加筋条结构会影响车身的强度,所以需要对更改前后的车身强度进行CAE分析校核,主要关注后大梁区域的应力分布情况,如图10所示。

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图10 后大梁CAE强度分析结果

由图10可以看出,在车身上增加开孔确实会增大各个区域的应力,但幅度并不大。对比后大梁材料SAPH370的屈服强度225MPa可知,这三个方案均能满足车身强度的要求。

4.6 方案选定

在实际的涂装工艺中,腔体内的漆膜包括磷化膜和电泳膜,其中,磷化膜的厚度较为均匀,且只要液体能够达到的区域均能覆盖。经查,本公司涂装的磷化膜厚度约为3μm~5μm。而本文中的仿真分析只针对电泳膜,故分析结果还要加上磷化膜厚度后才是实际的漆膜厚度。同时,使用E-Coating Master软件进行模拟分析时,由于在电泳槽模型建立过程中采用了理想模型进行搭建,加上实际生产中工艺参数并不稳定,所以理论分析与实际的电泳漆膜厚度会存在一定的误差。所以,综合考虑分析误差和更改代价,选择方案二作为实车验证方案进行检验。

5 实车验证

按照4.3中的方案二进行实车验证,车身经过涂装后进行割车检测,对原生锈区域进行漆膜厚度测量,并与原结构的漆膜厚度进行对比,如图11和图12所示。

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图11 割车后的漆膜厚度测量结果(原结构)

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图12 割车后的漆膜厚度测量结果(按方案二更改后)

由实车对比可知,结构更改后的漆膜厚度明显提升,除了个别区域的漆膜厚度稍小于10μm外,其他区域均满足要求。故更改后的车身结构已基本能满足防腐性能要求。

6 结论

以解决某MPV车型的后大梁生锈问题为目的,使用E-Coating Master软件进行了电泳仿真分析。分析结果表明该区域确实存在漆膜厚度不足的问题。分别作了三个方案进行了对比分析,三个方案的漆膜厚度都有所提升。在综合考虑分析误差和更改代价的情况下,使用方案二进行实车验证。验证结果表明,更改后的漆膜厚度已基本满足防腐性能要求。所以使用该分析方法能够很好的解决车身的防腐问题,为车身防腐性能的提升提供解决方案,同时,该方法如应用于更早期的车身设计研发中,也能更及时的发现问题,从而更好的提升车身的防腐性能。


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