烘房汽车油漆固化流程模拟

作者：杜尔公司 Guang Yu博士

欢迎访问e展厅 展厅 7 喷涂/清洗/表面工程展厅 PVD涂层设备, 电镀设备, 热镀锌设备, 超声波清洗机, 静电喷粉机, ... 新车型发布前，汽车制造商会非常关心否能在现有的或新的烘房里使油漆得到适当的固化，以及如何对现有的烘房进行改造，以满足油漆固化的需求。 当制造商正努力把汽车制造得更坚实、更轻便，以符合美国新出台的汽车碰撞标准和燃油标准（对燃料节省的要求更高）时，他们也面临着来自涂装车间的艰巨挑战。添加加固部件，并使用泡沫插件、特殊的粘合剂和减震材料，确实改善了车身设计，但这些质量大、热容量高的材料也增加了涂装的难度。新车型发布前，几乎每一个汽车制造商都会关心同样的问题，即是否能在现有的或新的烘房里使油漆得到适当的固化，以及如何对现有的烘房进行改造，以满足油漆固化的需求。 缓解这些担忧，需要找到方法能精确预测烘房里车身的温度。全球领先的涂装系统供应商杜尔（Dürr Systems）采用计算机流体动力学（CFD）模拟技术，能完全模拟汽车的烘房。经过几年的开发，杜尔已能对实车进行完整的烘烤模拟，并具有相当好的精确度。 计算机烘房模拟是通过商业化的CFD软件、ANSYS FLUENT和杜尔自主开发的用户自定义功能（UDF)代码来进行的。CFD模拟不仅能检索到车身上任何一点的温度-时间曲线，用于油漆固化评估，还能在烘房里提供一个可见的数字化气流和温度场，以便工程师能在生产制造前改进设计。与实验室的烘房测试相比，CFD模拟不需要有真正的烘房和样车，而且可以在车辆设计的早期进行。这就使制造商有机会完善用于生产的新车身设计，并在新车型发布前有更多的时间改进现有的烘房。 固化要求与流程 固化漆膜本身很简单。基本要求是，先对湿漆膜进行加热，然后根据给定的油漆固化窗口把温度保持一定的时间。然而，当湿漆膜在车身上时，要满足这一要求就困难多了，因为汽车各部件的温度会决定油漆的温度。对车身上的漆膜进行固化，实际上成了对整个车身的烘烤。从固化窗口掉出的任何部件都将对喷涂质量产生不良影响，将影响涂层的外观或物理性能。因此，在烘房中对车身进行均匀加热是烘烤过程的目标之一。 除了油漆固化，新的涂层技术（如三湿工艺）和各种车身材料的使用，也要求加热要统一、缓慢，以避免热容量高的材料出现热膨胀和油漆固化的问题。 汽车油漆固化是在类似隧道的烘房中进行的，由高温气体对车身进行加热。烘房一般包括三部分：加热区、维持区和冷却区。这几部分的目标分别是：把汽车加热到固化温度，使车身温度得以保持，以及在固化过程结束后对车身进行冷却。由于车身在烘房内的移动速度是恒定的，保证每一部分都能实现其目标就变得非常重要，要求时间要掌握好，尤其是加热区。通常，油漆固化评估的一个关键核查点是，烘房能否在加热区末端使汽车所有部件都达到指定的固化温度范围。 模拟的挑战 汽车烘烤过程是一个车身和烘房进行相对运动的三维瞬态共轭热传递过程。模拟这一过程需要克服几个难题。第一，模型要具备烘房极其广泛的维度范围。烘房一般有几百米长，而一些汽车零部件的空气喷嘴可能小得只有几英寸。第二，汽车零部件的许多细节必须保留，以便于计算温度。这是因为金属的温度取决于零部件的质量、形状和与其他部件的连接状况。保留这些细节可能会导致模型中元件数量的大幅增加。这使得车身的构建和简化变得非常棘手和耗时。第三，固化过程中，车身由传送链一个接一个地运送到烘房。要模拟整个烘房中排列的一长列车身不现实。第四，无论是否有辐射区，都必须要考虑烘房墙壁与车身之间的热辐射。对辐射模型求解，需要密集的计算资源。 为了克服这些技术难题，杜尔开发了一系列有关烘房和车身的几何简化、网格参数设置、求解策略与模型建立等的方法和途径。这些方法结合杜尔自行开发的UDF，使模拟更切实可行，并能实现良好的模拟精度。 CFD模型 烘房模拟的一个主要假设是忽略车身上的湿漆膜，因为这层膜非常薄。用白车身模拟大大简化了固化过程的物理模型，尽管涂有湿漆的车身也能被模拟。 烘房模拟项目的一个例子，是在后来由杜尔制造、安装的一个新的电涂层烘房上进行的。这是一个对流烘房，由一个倾斜区、两个预热区、两个前维持区、三个加热区、三个维持区和三个冷却区（或冷却器）构成。烘房总长325.6米，车辆的传送速度为0.096米/秒。 在这个项目中，OEM对加热和冷却过程都很感兴趣。加热过程有两个阶段：冷却区的强对流冷却和涂装车间建筑中的自然对流冷却。后一种冷却是在车辆从冷却器的出口到工具移除甲板的过程中进行的。OEM担心车身到达夹具移除甲板时温度是否能足够低。为了实现这一目标，我们把模拟分成了两个模型：加热模型和冷却模型。加热模型包括最开始的7个区域，加热时间为30.5分钟，冷却模型是从冷却区到夹具移除甲板。冷却区的冷却时间是13.9分钟，此外，建筑中还有14.55分钟的冷却时间。该项目的模型中没有维持区，因为把车身加热到要求的温度后再使车身保持这一温度相对容易。客户对维持区的效果没有疑虑。 因为这项模拟在烘房设计的初期就开始了，所以模拟是以初步的工程设计和设计操作条件为基础的。图1是模拟的烘房加热区的信息和操作条件。 烘房模拟一般包括烘房几何模型生成、汽车几何模型建成、对计算域进行网格设计和划分及模型构建。在模型的预处理中，会使用ANSYS的产品ICEM-CFD来创建和编辑几何模型，以及对计算域进行网格设计和划分。车身完成后，原来的零部件大约98%会在模型中保留，而且会从车身原始几何模型的100多个零部件中创造出300多个新的零部件。 通过ANSYS FLUENT，我们应用了滑动网格技术来模拟汽车和烘房之间的相对运动。整个计算域被分成了两个子域：移动部分和静止部分。烘房假定为静止部分，车身假定为移动部分。尽管加热和冷却过程只模拟一个车身，但也采用UDF（用户自定义功能），考虑了多个车身的效果。 模拟结果与验证 所有关于烘房气流、烘房与汽车之间的热辐射、车身内的热传导以及空气与车身之间热对流的控制方程式，可以通过在每个时间段单独计算而同时求解。求解过程中，计算出的车身温度和流场数据每5秒钟保存一次。图2-4是一些结果。 在这个项目中，加热区末端的目标固化温度是170 ~ 190oC。然而，根据烘房初期设计得到的模拟结果表明，车身多个区域的温度是低于最低温度需求的。图4中，可能低于烘烤温度的区域标示为最低温度区。结果表明，车身下部得不到充分的加热。借助这些数据，杜尔工程师对空气喷嘴最初的布局做了修改，把更多的喷嘴移到了车身下部，一些喷嘴面向摇杆区，喷嘴与车身之间的距离也更近了。随后在实验室进行的测试证明，这些改动的效果很显著。 CFD验证要通过烘房测试和CFD结果与测试结果的比对来完成。这项测试是在杜尔的实验用烘房在样车的车身上进行的。烘房约100英尺长，有三个区域。它可以配置与CFD模拟烘房相同的设计，并在同样的条件下运行。然而，由于测试烘房的长度有限，为了模拟真实烘房中的单向运动，车身必须来回移动。 杜尔设在密歇根州普利茅斯市的实验室中的汽车烘干测试烘房用于CFD模拟验证。烘房可以根据客户需要进行各种汽车烘烤测试。 烘房测试方面，一辆样车上连接了47个DataPaq探头，来记录车身温度在烘房中的变化过程（即：温度与加热时间的变化曲线）。对车身相同位置的CFD模拟和测试所形成的加热曲线对比后发现，CFD模拟的结果是23个测量点未能达到固化温度的要求，而测试结果显示的是21个点未达到要求。在加热区末端，所有测量位置的最大绝对误差为9oC 或 16oF。图6显示的是对一些选定部分加热曲线的对比。 结论与益处 这项模拟通过烘房的初始设计成功预测出了新车可能存在的固化问题。模拟提供了一些关键信息，如加热曲线，以及车身上最冷区域和最热区域的位置等，能帮助杜尔及时修改烘房设计，并最终圆满完成这一项目。 比照烘房测试，模拟在加热区的末端有最大9oC 的误差。由于这一误差，工程师很难对汽车某个部分的固化问题进行精确评估，但模拟能就一般情况进行很好的预测。模拟是在两个戴尔Precision工作站、共计8个CPU上进行的。因为可以进行高性能计算（HPC)，所以保持更多车身的细节，对烘房少进行一些简化，将使模拟更为精确。 CFD模拟提供了一个虚拟的制造平台，工程师能够在这一平台上想象汽车固化流程，评估可能存在的固化问题，并优化烘房的设计。此外，计算结果——车身的温度，也能用来进行热应力分析，预测某些部分开裂和车身变形的问题。 CFD模拟能在每个时间点对对流和辐射方程式同时求解，所以这一方法无需实验数据来校准车身表面的传热系数。它能直接应用于所有新的烘房和车型。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (10/14/2013)