車身結(jié)構(gòu)設(shè)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(jìn)行了電泳仿真模擬分析，得出了漆膜厚度不足的區(qū)域。做出了三個優(yōu)化方案進(jìn)行仿真分析，對比了漆膜厚度的變化，得出最優(yōu)的更改方案并進(jìn)行實車驗證。驗證結(jié)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(yīng)用于車身的防腐性能提升以及車身結(jié)構(gòu)設(shè)計時的防腐問題發(fā)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：防腐；電泳；漆膜厚度；仿真分析

中圖分類號：U270.32 文獻(xiàn)標(biāo)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(jié)構(gòu)設(shè)計中，通過合理的開孔、間隙的設(shè)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(shè)計中，因為缺乏相關(guān)的分析方法，往往要到實車驗證時才發(fā)現(xiàn)某些區(qū)域的電泳漆膜厚度不足，此時再更改設(shè)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(fā)進(jìn)度。在本文中，通過實車的腐蝕問題反饋，利用相關(guān)的電泳分析軟件E-Coating Master來對漆膜厚度進(jìn)行分析，并通過漆膜厚度實測進(jìn)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(fā)提供分析的方法和依據(jù)，提高了后續(xù)車型開發(fā)的質(zhì)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(jìn)行拆解，發(fā)現(xiàn)后大梁中部的腔體內(nèi)有生銹的跡象（見圖1），此程度的生銹屬于不可接受狀態(tài)，如果該車?yán)^續(xù)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(yīng)不小于10μm[4]。而對該生銹區(qū)域的漆膜厚度進(jìn)行測試發(fā)現(xiàn)，生銹區(qū)域的漆膜厚度僅為3μm，說明該處的結(jié)構(gòu)設(shè)計不利于電泳上漆，必須對其進(jìn)行整改，以增大該區(qū)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(guī)定的電壓和時間內(nèi)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(shù)（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(jìn)入斷面面積a來實現(xiàn)。而對于車身結(jié)構(gòu)中的封閉腔體，電力線進(jìn)入斷面面積即為腔體周邊相應(yīng)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(jié)構(gòu)而言，需要在多個區(qū)域增加電泳工藝孔以達(dá)到多個區(qū)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(qū)域的漆膜厚度進(jìn)行分析。E-Coating Master是比利時Elsyca公司和德國大眾聯(lián)合開發(fā)的軟件，之前成功的應(yīng)用于途觀、高爾夫7等車型涂裝設(shè)計。在國內(nèi)，汽車的防腐性能也越來越受到重視，以往依靠經(jīng)驗來進(jìn)行車身的防腐設(shè)計已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，所以也需要使用CAE手段來進(jìn)行輔助設(shè)計，以提高車身防腐設(shè)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(shù)建立——包括電泳槽電壓、槽液流速、槽液導(dǎo)電性能等涂裝參數(shù)的確定，并將其輸入至軟件中；

2）電泳槽建?！鶕?jù)電泳槽尺寸、電極尺寸及排布建立電泳槽模型；

3）車身網(wǎng)格劃分——對車身網(wǎng)格進(jìn)行劃分，重點關(guān)注部位可將網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化以提升該區(qū)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(wǎng)格模型在軟件中進(jìn)行計算；

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

4.2 分析結(jié)果

使用E-Coating Master對發(fā)生腐蝕問題的MPV車型進(jìn)行計算，分別查看生銹區(qū)域后大梁腔體內(nèi)各零件的漆膜厚度情況，其結(jié)果如下：

由分析結(jié)果可以看出，后大梁上表面和后大梁加強(qiáng)板下表面的局部區(qū)域的漆膜厚度嚴(yán)重不足，甚至已經(jīng)到了0μm；而其他部分區(qū)域的漆膜厚度也沒有達(dá)到10μm的要求。查看該區(qū)域的結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，后大梁前加強(qiáng)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(jìn)入（如圖3），所以該區(qū)域根本無法有效上漆。而此處正是實車檢查中生銹最嚴(yán)重的區(qū)域。

4.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

一般來說，優(yōu)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(jìn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)往往受到結(jié)構(gòu)限制，而增加開孔則會降低車身的剛度強(qiáng)度等性能參數(shù)。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(jìn)行對比分析，最終找出最優(yōu)的更改方案。

本文中做了三種優(yōu)化方案，其更改內(nèi)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(jìn)行仿真模擬分析，得到相應(yīng)的漆膜厚度分析結(jié)果，如圖7～圖9所示。

由分析結(jié)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(jīng)沒有漆膜厚度為0μm的區(qū)域出現(xiàn)，說明增加筋條結(jié)構(gòu)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(qiáng)度校核

由于車身開孔以及增加筋條結(jié)構(gòu)會影響車身的強(qiáng)度，所以需要對更改前后的車身強(qiáng)度進(jìn)行CAE分析校核，主要關(guān)注后大梁區(qū)域的應(yīng)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(qū)域的應(yīng)力，但幅度并不大。對比后大梁材料SAPH370的屈服強(qiáng)度225MPa可知，這三個方案均能滿足車身強(qiáng)度的要求。

4.6 方案選定

在實際的涂裝工藝中，腔體內(nèi)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(dá)到的區(qū)域均能覆蓋。經(jīng)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(jié)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(jìn)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(jìn)行搭建，加上實際生產(chǎn)中工藝參數(shù)并不穩(wěn)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(jìn)行檢驗。

5 實車驗證

按照4.3中的方案二進(jìn)行實車驗證，車身經(jīng)過涂裝后進(jìn)行割車檢測，對原生銹區(qū)域進(jìn)行漆膜厚度測量，并與原結(jié)構(gòu)的漆膜厚度進(jìn)行對比，如圖11和圖12所示。

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

6 結(jié)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(jìn)行了電泳仿真分析。分析結(jié)果表明該區(qū)域確實存在漆膜厚度不足的問題。分別作了三個方案進(jìn)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(jìn)行實車驗證。驗證結(jié)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(yīng)用于更早期的車身設(shè)計研發(fā)中，也能更及時的發(fā)現(xiàn)問題，從而更好的提升車身的防腐性能。

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