汽车副车架电泳工艺方案设计及其有限元仿真分析

齐军 盛云

摘要：针对某钢制前副车架，根据其结构特征设计了两种吊挂姿态。 通过电泳有限元仿真对两种挂姿下不同吊挂倾角对应的电泳后气泡分布、沥液情况以及膜厚进行分析，获得了该钢制前副车架电泳工艺的优异挂姿设计。设计了局部工艺孔对该挂姿下部分区域存在气泡问题进行改善，并通过电泳仿真试验进行验证。最后，结合电泳工艺仿真模拟结果对该前副车架进行电泳试制试验，验证了提出的电泳工艺设计方案的优秀性能。

关键词：前副车架；电泳；气泡；沥液；膜厚

电泳涂装工艺的基本原理是指利用外加电场，使悬浮于电泳液中的颜料和树脂等微粒定向迁移并沉积于金属基底表面的涂装方法，包括电解、电泳、电沉积及电渗4个过程[1]。

电泳涂装是汽车常用的工艺之一，现有研究多集中于车身的电泳仿真与优化。武京斌等[2]简要地阐述了车身表面电泳膜厚模拟分析、前处理电泳排水排气能力分析、涂装机器人涂胶喷漆可达性模拟分析等相关技术。唐竞[3]利用有限元仿真分析发现前端设计不佳导致电泳时形成死腔，产生大的气泡，提出了通过设计工艺孔的方法解决对发动机罩外板内表面前端电泳效果差的问题。董美琛[4]着重介绍了电泳有限元仿真分析软件在车身涂装防腐分析中的广泛应用。雷蕾等[5]介绍了如何在车身防腐性能优化方面应用电泳仿真软件E-coatmaster评估电泳成膜情况并且提出了改进方案。刘金萱[6]利用电泳仿真分析方法对商用车驾驶室在新产线转产过程中遇到的积液问题进行了研究并提出了解决方案。

副车架一般在较为恶劣的环境中服役，不仅承受路面的各类载荷作用，且极易受到碎石等硬物的冲击，并会长期经受雨水等环境的侵蚀。表面防锈防腐处理不仅会影响其外观，更直接关系到副车架全寿命周期内的结构性能。本文以自主研发的某钢制前副车架为对象，通过电泳工艺的有限元仿真，对其电泳工艺方案进行设计，并验证了工艺方案的优异性能。实现了从设计阶段即可避免后期的电泳涂装质量风险的作用，为利用有限元仿真方法完善电泳工艺方案设计提供了良好的参考作用。

有限元仿真试验

1.电泳工艺有限元仿真流程

副车架电泳工艺有限元仿真的流程如图1所示。关键要素在于输入收集、电泳仿真的设置以及结果的后处理与分析。

电泳工艺仿真需要能够模拟电泳槽的实际状态。因此，仿真前需要收集电泳槽的相关信息主要如下[2]：

1）电泳槽泳透力盒测试数据。

2）电泳槽在线电压数据。

3）量产副车架的实际膜厚，用来校准、标定电泳槽液参数。

4）其他电泳槽相关信息。

本研究通过使用本企业的量产电泳槽完成了上述相关信息的搜集。

2.电泳仿真有限元建模

副车架电泳仿真模型包括两部分：一部分是副车架结构有限元模型，另一部分是电泳槽的有限元模型。

为提高建模与计算效率，采用三角形壳单元对前副车架进行了有限元网格划分。前副车架的有限元模型如图2所示，共约65万个单元，32万个节点。为避免有限元仿真计算不收敛的情况出现，有限元模型根据实际结构设计情况使各个表面封闭。

电泳槽的有限元模型采用四面体实体单元，如图3所示，共约660万个单元，122万个节点。在电泳槽中按一定的姿态放置前副车架，得到前副车架電泳工艺仿真的有限元模型。

电泳槽的相关参数与设置数值对应相关电泳工艺不会有太大变动。因此，电泳工艺方案的设计关键在于吊挂姿态的设计和结构倾角的选定。

根据副车架的结构形式，设计两种吊挂姿态。图4所示为吊挂姿态一（简称挂姿一），通过调整挂载点1和挂载点2的高度，使副车架在电泳槽中呈一定的倾角。图5所示为吊挂姿态二（简称挂姿二），同样通过调整两个挂载点的高度，实现倾角的调整。

两种挂姿下，倾角对最终的电泳效果会产生较显著影响。利用电泳有限元仿真方法对在不同倾角下的两种吊挂姿态进行仿真分析，改善副车架的吊挂倾角和吊挂姿态。

仿真结果与讨论

1.挂姿一仿真结果

图6和图7所示为挂姿一在不同倾角下的气泡与沥液仿真结果。吊挂倾角为0°时，气泡与沥液的体积最低。0°挂姿下电泳的膜厚与气泡分布仿真结果如图8所示。 其中，除副车架的外表面气泡、沥液区域外，膜厚均为36.8～40.8?m；副车架内部腔体的表面膜厚24.7～40.8?m，腔体内表面（图8中黄色部分）膜厚为24.7～28.7?m。气泡的分布情况如图9所示，主要集中在三个区域：区域1梁内夹角为1.4cm?，区域2支架夹角为5.1cm?，区域3支架夹角为1.2cm?。

2.挂姿二仿真结果

图10和图11所示为挂姿二在不同倾角下的气泡与沥液仿真结果。吊挂倾角为0°时，气泡与沥液的体积最低。0°挂姿下电泳的气泡分布与沥液情况仿真结果如图12和图13所示。图12中气泡主要集中在两个区域：区域1腔体外气泡尺寸约为10.8cm?，区域2支架夹角处气泡尺寸约为1.0cm?。图13中沥液残留集中在两个区域：区域3，支架夹角处约为4.1cm?，区域4，支架夹角处约为1.8cm?。

3.方案确定与优化

通过电泳有限元分析对比气泡、沥液、膜厚结果发现，挂姿二对应的气泡、沥液区域大而多。因此，挂姿一相对于挂姿二具备更加优良的电泳效果，其特点在于两个挂载点保持水平，使副车架与水平面的倾角为0°。

该挂姿能够保证副车架结构表面的膜厚满足24.7～40.8?m的设计要求。针对三个区域存在气泡的问题，本研究提出在区域1、区域2与区域3（见图9）各增加一个工艺孔的设计方案，以避免气泡的产生，如图14所示。利用电泳工艺有限元仿真对增加工艺孔的方案结合吊挂倾角进行验证和改善其工艺参数，结果如图15和图16所示。

结果表明，吊挂倾角为0°时，气泡体积最小，沥液体积也最优。但当吊挂倾角为0°时，支架夹角气泡尺寸约为1.2cm?。为降低气泡风险，将该区域的形面由多片体封闭夹角改成一体化曲面如图17所示。此外，为降低支架夹角的局部区域存在气泡的风险，提出在该区域开工艺孔的设计方案如图18所示。

电泳工艺试制试验验证

针对仿真结果获得的电泳工艺设计方案进行试制。试制样件如图19所示，电泳后各风险位置均未发现气泡与沥液残留，且测试膜厚均满足设计要求。结果表明，本文提出的通过电泳有限元仿真改善的电泳工艺方案能够极大降低副车架电泳工艺出现气泡和沥液残留，并且膜厚满足设计要求。

结语

为在设计阶段规避电泳工艺可能出现的露白、沥液等工艺缺陷，应用电泳工艺有限元仿真方法对某钢制前副车架电泳工艺参数设计进行改善，并通过电泳试制实验验证，主要结论如下：

1）吊挂姿态一的0°倾角可有效降低气泡的出现并获得更加优良的沥液分布，确定可作为量产的电泳工艺设计方案。

2）通过电泳有限元仿真方法设计电泳工艺设计方案，找出膜厚、气泡与沥液分布规律，针对最容易出现气泡与沥液的区域，获得优良的工艺孔的设计与结构局部优化方案。

3）电泳有限元仿真是副车架设计阶段的有效工具，在设计初期即可对电泳工艺流程进行模拟仿真，可极大地提升工艺开发效率。

参考文献：

[1] 宋华．电泳涂装技术[M]．北京： 化学工业出版社，2009.

[2] 武京斌. 汽车涂装虚拟仿真的应用[J]. 现代涂料与涂装，2015，18（8）： 48-50，53.

[3] 唐竞. 数值仿真技术在汽车涂装工艺中的应用[J]．广东公路交通，2015（2）： 59-61.

[4] 董美琛. 电泳仿真软件在涂装防腐方面的应用[J]．现代涂料与涂装，2018，21（11）： 51-53.

[5] 雷蕾，周传华，张方祥. 电泳虚拟仿真分析及应用[J]．涂料工业，2018，48（9）：61-65.

[6] 刘金萱，吴有高. 排气沥液仿真软件在涂装电泳分析中的应用[J]．新技术新工艺，2019（11）：13-16.