工艺技术│汽车涂装虚拟仿真的应用

1 前言

    当前，全球化、网络化和虚拟化已经成为制造业发展的重要特征。对于汽车行业来说，汽车设计虚拟技术是汽车行业较早实施的虚拟技术，也是汽车行业虚拟技术最成熟的领域。其将汽车设计的数字化模型在计算机中以直观的方式显示出来，使工程师能从l：1的仿真数字化模型中得到丰富准确的信息，从而实现人与计算机之间无缝连接。现在，大部分的汽车企业已实现虚拟现实系统，在网络环境中，充分利用分布在世界各地的各种资源，协同进行互动性的产品设计，这样，工程师就可以直接根据虚拟模型做出快速准确的判断，而不必花费更多的人力、物力去制作大量的物理模型，并省却许多原来必不可少的实物验证工作。

    在整车制造过程中的制模、冲压、焊接、总装、人机工程分析等各个环节中的计算机模拟技术也已广泛运用，使汽车制造置于计算机技术所构造的严格数据环境中。

    对于汽车涂装来说，其工艺相对稳定，一般不受车型产品设计的变更而改变，所以相对于其他制造车间来说，其虚拟仿真技术的使用率略微偏低。但是由于产品设计对于涂装工艺能力和车型产品性能有较大的影响，因此如果能够在前期通过虚拟仿真技术对涂装能力、过程进行分析，将大幅提高产品性能，减少产品设计缺陷和产品实车验证过程中的问题数量。

    本文针对我公司车身内、外表面电泳膜厚虚拟分析、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和涂装烘房烘烤能力等相关虚拟技术进行了简要阐述。

    2 涂装相关虚拟技术介绍

    在产品设计前期阶段，虚拟评估是新产品设计阶段同步工程的主要工作内容，涂装工程师也需要对产品设计进行详细的分析，以尽量识别产品设计影响涂装效果的问题，并在前期将这些缺陷在产品设计中修改掉。

    在我公司引入虚拟评估软件前，主要根据制造需求MR文件和工程师的经验来进行分析，如涂胶可达性、内表面电泳膜厚、前处理电泳时产品的排气、排水问题等。这些评估随着工程师的经验能力的不同而不同，极易出现疏漏，也无法对一些性能做出定量分析，还需要在实车造车时进行验证，这就造成问题识别和解决滞后，增加产品设计更改成本。

    2.1电泳膜厚仿真

    在未引入电泳膜厚仿真软件前，每次虚拟评估时，只能根据经验评估哪些空腔区域可能会有电泳膜厚差的问题，无定量的数据分析。具体的验证只能在实车验证阶段，拆车以确定内表面的具体膜厚。由于实车造车阶段大部分的零件已设计定型，此时对车身进行修改时，车身相配套的其他内外饰、电子等零件的改动量比较大，车身零件、内外饰零件、磨具等的改动成本较高、周期较长。

    我公司根据通用北美的使用经验，在去年引进了EDDL电泳仿真软件对电泳膜厚进行仿真分析。该软件电泳仿真利用有限元技术建立电泳模型，通过电化学方程来模拟电泳过程，在计算机上对电泳过程进行模拟，然后输出车身钣金电泳膜厚分析结果。

    电泳最基本的物理原理为带电荷的涂料粒子与它所带电荷相反的电极相吸。采用直流电源，金属工件浸于电泳漆液中通电后，阳离子涂料粒子向阴极工件移动，继而沉积在工件上，在工件表面形成均匀连续的涂膜。

    2.1.1仿真前准备工作

    由于模拟仿真需要模拟现场的实际状态，所以在开始实施前需要收集新车型目标工厂电泳系统的相关信息，主要包括：

    a）电泳槽泳透力盒测试数据，即使用泳透力盒测出目标工厂的泳透力数据，其所有数据为电泳槽性能的重要参数：

    b）电泳槽在线电压数据：通过使用电泳电压记录仪随车记录车身在电泳过程中门、顶棚、门槛版、车底等位置的实际在线电压数值，通过该数据，可以了解电泳过程中，电场强度从阳极管发出后到车身表面的损失率和实际能力。

    c）当前量产车外表面电泳膜厚：通过测量当前在线量产车的实际电泳厚度，以校准、标定电泳槽液参数。

    d）其他电泳槽相关信息：前处理类型（磷化或薄膜）、是否有顶部底部阳极、阳极类型（管式、板式、C型）及数量、电泳温度、槽液电导率、阳极液电导率、槽液PH、槽体线速度、电泳槽各段电压设定值、槽体尺寸、槽体阳极排布位置等相关信息。

    2.2.1仿真实施过程

    仿真操作过程主要分为下边几个阶段：数据准备、模型前处理，分析计算，结果后处理、仿真结果评价。

    a）车身数模文件网格化处理：与大部分的仿真软件操作一致，车身的仿真也需要首先对所有车身零件做网格化（即有限元）拉伸处理，以便于利用解偏微分方程的方法进行数据计算，该步骤依靠HyperMesh软件。由于网格化处理费时费力，费时较多，因此在处理前要先筛选有用的零件，将不需要的零件全部删除，尽量减少不必要的工作量。

    b）VolumeMesh和槽体、车身模块合并：根据前期准备的泳透力盒等数据作出电泳槽体的Mesh网格模型；再将车身模型数据和槽体数据通过DEM软件合并为整体的仿真模型；然后通过ICFM-DFM软件对模型进行检查确认并修复缺陷。

    由于车身的左右侧基本一致，因此在建模时只需选择单侧实施即可；电泳时车门是需要开启一定角度的，所以在建模时也需要根据实际情况开启一定角度；

    c）仿真计算：将前序的模型和各项相关文件倒入EDDL系统，再设置槽液的相关参数，启动系统进行自动运算、计算周期约为2-3周。运算结束后，可以使用Hyperviewer对仿真结果进行确认。

    其中槽液的仿真参数根据前期收集数据计算、校准而来，且车身尺寸对仿真模型有一定的影响，因此我们将参数设置了大小两种车型来分析。

    数据分析、验证：

    通过实车拆车和虚拟仿真对比，可以看出仿真与实车基本吻合，但是厚度方面有一定偏差。经过数据分析，基本可以判断当虚拟仿真时膜厚大于5um的区域，其实际膜厚基本能够达到不低于10um的要求。针对电泳不良位置，可以通过增加开孔、调整钣金结构等措施，在Mesh数模上调整，并进行反复验证。