CN104325733B - 车体复合涂层及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及轨道车辆涂层设计技术领域，具体公开了一种车体复合涂层及其设计方法，所述车体复合涂层包括依次排布的聚氨酯面漆、聚氨酯中间层、聚酯腻子和微弧氧化陶瓷层底漆，所述微弧氧化陶瓷层底漆涂在车体的铝基体上，所述设计方法包括构建物理模型、选择最优厚度比、制备车体复合涂层和冲蚀试验。本发明的车体复合涂层有效地增加了整个涂层体系与铝合金基体之间的结合力，有效减少了涂层在运行时冲蚀过程中涂层整块脱落的可能性，有效地提高了车体复合涂层的抗冲蚀性能。

Description

车体复合涂层及其设计方法
技术领域
本发明涉及轨道车辆涂层设计技术领域，尤其涉及一种能够提高动车组车头抗高速微细粒子冲蚀能力的车体复合涂层及其设计方法。
背景技术
动车组车头表面受微细粒子高速冲击将产生冲蚀及粒子侵入，两者都将使车体表面粗糙化，既增加轨道车辆行驶的空气摩擦阻力，又增强车体表面的吸附力，使得生物(如蚊虫等)的吸附变得更容易，造成轨道车辆的表面材料寿命降低，且难以清洗。
现有技术中的复合涂层为聚氨酯面漆、聚氨酯中间层、聚酯腻子和环氧树脂底漆涂层体系，在受高速微细粒子冲击时易表层破坏及涂层整体脱落。为此，需要一种新的涂层体系以提高其抗冲蚀性能。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种车体复合涂层及其设计方法，以克服现有技术中的复合涂层抗冲蚀性能差的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种车体复合涂层，包括依次排布的聚氨酯面漆、聚氨酯中间层、聚酯腻子和微弧氧化陶瓷层底漆，所述微弧氧化陶瓷层底漆涂在车体的铝基体上。
优选地，所述聚氨酯面漆的厚度为95μm～105μm，所述聚氨酯面漆与所述聚氨酯中间层的厚度比为1.5:1～2:1，所述聚酯腻子的厚度为1μm～2μm，所述微弧氧化陶瓷层底漆的厚度为55μm～65μm。
优选地，所述微弧氧化陶瓷层通过喷镀式微弧氧化的方式涂在车体的铝基体上。
本发明还提供了一种所述的车体复合涂层的设计方法，包括以下步骤：
S1.以所述车体复合涂层构建物理模型，计算不同厚度比的所述车体复合涂层在冲击作用下的动力学响应，以表层所述聚氨酯面漆的单元移除量以及车体的铝基体与所述微弧氧化陶瓷层底漆的剥离作用力为标准判断所述车体复合涂层的抗冲蚀能力；
S2.根据所述计算的结果选出所述车体复合涂层的最优厚度比；
S3.按照所述最优厚度比在车体的铝基体上制备所述车体复合涂层；
S4.对所述车体复合涂层进行冲蚀试验，对比所述车体复合涂层与原有复合涂层的抗冲击性能，以验证所述车体复合涂层的所述最优厚度比。
优选地，所述物理模型通过有限元软件Ansys/LS-DYNA构建。
优选地，所述物理模型中的冲击粒子选用刚性小球，所述聚氨酯面漆选用Johnson-Cook本构模型，所述聚氨酯中间层、聚酯腻子和微弧氧化陶瓷层底漆选用弹塑性本构模型。
优选地，所述冲击粒子为直径95um～105um的小球，速度为90m/s～110m/s，冲蚀角度选为25°～35°。
优选地，所述聚氨酯面漆的单元移除量通过累积损坏法则计算得到，对计算内的每个时间步计算所有单元的塑性应变，当某个单元在计算中塑性应变达到破坏临界值时该单元移除，计算完成后统计单元移除量。
优选地，车体的铝基体与所述微弧氧化陶瓷层底漆的剥离作用力为计算时铝基体与所述微弧氧化陶瓷层底漆界面拉应力与剪应力的合力，以此合力来表征冲击过程中的剥离作用力。
优选地，采用喷砂式冲蚀磨损试验系统对所述车体复合涂层进行冲蚀试验，测量所述车体复合涂层的失重，观察所述车体复合涂层的表面形貌和界面损伤情况。
(三)有益效果
本发明的车体复合涂层以聚氨酯面漆、聚氨酯中间层、聚酯腻子和环氧树脂底漆涂层体系为基础，将环氧树脂底漆跟换成微弧氧化陶瓷层底漆，有效地增加了整个涂层体系与铝合金基体之间的结合力，有效减少了涂层在运行时冲蚀过程中涂层整块脱落的可能性，同时，将车体复合涂层各部分的厚度按照最优厚度比进行匹配，有效地提高了车体复合涂层的抗冲蚀性能。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
本实施例的车体复合涂层包括：依次(从外向内)排布的聚氨酯面漆、聚氨酯中间层、聚酯腻子和微弧氧化陶瓷层底漆，所述微弧氧化陶瓷层底漆涂在车体的铝基体上。
其中，采用喷镀式微弧氧化方法在车头表面生长所述微弧氧化陶瓷层底漆，喷镀式微弧氧化方法适用于大型工件的表面陶瓷化操作，能满足动车组车头陶瓷底漆的喷镀要求，根据实验测得在5083铝合金基体制备的陶瓷涂层其结合力高达100N，远大于环氧树脂底漆与基体之间的结合强度，另外，通过喷镀工艺参数的调节可以改变陶瓷涂层的表面形貌及表面粗糙度，能显著提高聚酯腻子在其表面的附着力。这种采用喷镀式微弧氧化方法生长陶瓷层，可以有效地解决了车头体积大难以加工的问题。
所述聚氨酯面漆的厚度为95μm～105μm，所述聚氨酯面漆与所述聚氨酯中间层的厚度比为1.5:1～2:1，所述聚酯腻子的厚度为1μm～2μm，所述微弧氧化陶瓷层底漆的厚度为55μm～65μm。
本实施例的车体复合涂层的设计方法包括以下步骤：
S1.以所述车体复合涂层构建物理模型，计算不同厚度比的所述车体复合涂层在冲击作用下的动力学响应，以表层所述聚氨酯面漆的单元移除量以及车体的铝基体与所述微弧氧化陶瓷层底漆的剥离作用力为标准判断所述车体复合涂层的抗冲蚀能力。
所述物理模型由粒子以及聚氨酯面漆、聚氨酯中间层、聚酯腻子和微弧氧化陶瓷层底漆的涂层体系两部分组成。
所述物理模型通过有限元软件Ansys/LS-DYNA构建，所述物理模型中的冲击粒子选用刚性材料(在计算冲击时不考虑小球的变形)，具体选用刚性小球，所述聚氨酯面漆选优柔性材料，具体选用Johnson-Cook本构模型，所述聚氨酯中间层、聚酯腻子和微弧氧化陶瓷层底漆选用弹塑性本构模型。
所述冲击粒子为直径95um～105um的小球，速度为90m/s～110m/s，冲蚀角度选为25°～35°；本实施例中，优选地，粒子为直径100um的小球(由北方沙尘中沙粒统计数据显示85％以上的沙粒粒径在74u-250um之间)，速度为100m/s(由动车速度近似)，冲蚀角度选为30°；涂层体系为60um聚氨酯面漆+40um聚氨酯中间层+3mm聚酯腻子+60um微弧氧化陶瓷层底漆。
所述的物理模型，粒子以100m/s冲击涂层，不考虑粒子的变形，粒子的动能使得涂层产生变形(冲击动力学理论)，根据选用的材料本构模型计算涂层的应力，据此计算出涂层的应力及应变分布。
所述的计算为显示动力学计算，模型被离散成微小的有限单元，对计算内的每一个时间步计算所有单元的应力和应变，最终得到整个涂层体系的应力应变分布状态。
所述聚氨酯面漆的单元移除量通过累积损坏法则计算得到，对计算内的每个时间步计算所有单元的塑性应变，当某个单元在计算中塑性应变达到破坏临界值时该单元移除，计算完成后统计单元移除量。
车体的铝基体与所述微弧氧化陶瓷层底漆的剥离作用力为计算时铝基体与所述微弧氧化陶瓷层底漆界面拉应力与剪应力的合力，以此合力来表征冲击过程中的剥离作用力。
计算结果显示：单元失效集中在聚氨酯面漆，聚氨酯面漆和聚氨酯中间层的厚度比例在1.5:1到2:1之间效果最佳；聚酯腻子厚度减半，控制在1-2mm，对表层及底漆的影响与原有涂层体系相比差异在10％以内；微弧氧化陶瓷层厚度在60um，冲击过程中的剥离作用力较小，在KPa量级以内。
S2.根据上述的计算的结果，从中选出并确定所述车体复合涂层的最优厚度比。
S3.按照所述最优厚度比在车体的铝基体上制备所述车体复合涂层。
S4.对所述车体复合涂层进行冲蚀试验，对比所述车体复合涂层与原有复合涂层的抗冲击性能，以验证所述车体复合涂层的所述最优厚度比。
采用喷砂式冲蚀磨损试验系统对所述车体复合涂层进行冲蚀试验，测量所述车体复合涂层的失重，观察所述车体复合涂层的表面形貌和界面损伤情况。
所述的冲蚀试验：粒子采用150目的SiO2沙子，喷射气压控制在190KPa左右(对应的粒子速度为100m/s)，冲蚀角度为30°，冲蚀时间为30s。试验结束后用精度为0.1mg的精密天平测量涂层的失重，利用扫描电子显微镜观察表面形貌及涂层界面损伤情况。
试验结果显示：聚酯腻子厚度减小到1-2mm，涂层的冲蚀磨损率未明显变化；将聚氨酯面漆和聚氨酯中间层的厚度比例在1.5:1到2:1之间，微弧氧化陶瓷层厚度在60um左右，涂层的抗冲蚀磨损性能明显提高。新型涂层未出现整块脱落现象，说明陶瓷层底漆的作用明显；原有涂层体系冲蚀磨损率测定数值为0.291mm3/g，新型涂层体系冲蚀磨损率测定数值为0.075mm3/g左右，抗冲蚀能力提高3倍以上。
其中，采用有限元软件Ansys/LS-DYNA建立聚氨酯面漆/聚氨酯中间层/聚酯腻子/微弧氧化陶瓷层/铝基体模型，计算不同厚度配比的复合涂层在冲击作用下的应力应变分布状态，重点考察在表层表面单元应力及塑性应变累积、微弧氧化陶瓷层与铝基体间拉应力及剪应力。实现步骤如下：1)涂层单元移除的塑性应变临界值，根据现有聚氨酯涂层分析，模拟计算中的定为0.2；2)根据前期计算统计涂层单元塑性应变达到0.2所需的粒子数目；3)根据冲蚀体积磨损率计算公式计算其冲蚀体积磨损率。其中，△V为涂层单元移除体积，由涂层移除单元个数及单元长度计算得到，mp为粒子质量，由粒子数量及单个粒子质量计算得到。结果显示：聚氨酯面漆单元的塑性应变累积不仅与其厚度有关，还与中漆厚度相关，在聚氨酯面漆与中间层厚度比例在1.5:1到2:1之间时，粒子冲击对面漆亚表层的损伤数值达到最小，相应的Ev也最小；聚酯腻子厚度在1-2mm时，粒子冲击造成应力波传递对底漆及基体的影响以在KPa量级以内。
在实际应用中，上述设计方法的具体实施例可以如下：
实施例1
打开Ansys软件中的显式动力学分析模块LS-DYNA，进行复合涂层模型建立。其中，聚氨酯面漆、聚氨酯中间层、聚酯腻子、微弧氧化陶瓷层的厚度分别为60um、40um、3mm、60um。单元选择为solid164实体单元，材料模型选择为Gruneisen状态方程下的Johnson-Cook模型；粒子选用SiO2刚体模型，直径为100um的小球，入射速度设置为初始速度100m/s，入射角度选择为300(接近动车组车头倾角)；粒子与涂层之间设置为侵蚀接触关系，涂层各层之间设置为连接/失效关系，并输入两个方向的失效临界值。计算时长为10us，开始计算，并在计算结束后查看表层表面拉应力、中间层上下两个界面的剪应力，查看涂层变形情况及是否有单元与单元之间的脱离与单元移除。在车头材料上制备聚氨酯面漆、聚氨酯中间层、聚酯腻子、微弧氧化陶瓷层的厚度分别为60um、40um、3mm、60um的涂层，采用自行研制的喷砂式冲蚀磨损试验系统进行试验，测量涂层的失重及观察表面形貌及涂层界面损伤情况。
实施例2
实施例2与实施例例1的不同之处在于，将聚酯腻子的厚度变为1mm和2mm，分别进行2次计算，并在计算结束后查看表层表面拉应力、中间层上下两个界面的剪应力，查看涂层变形情况及是否有单元与单元之间的脱离与单元移除,并与例1结果进行比较。将聚酯腻子的厚度变为1mm和2mm，分别制备复合涂层，采用自行研制的喷砂式冲蚀磨损试验系统进行试验，测量涂层的失重及观察表面形貌及涂层界面损伤情况。
实施例3
实施例3与实施例1的不同之处在于，将聚酯腻子层的厚度变1mm，调整聚氨酯面漆、聚氨酯中间层的厚度比例，分别计算，并在计算结束后查看表层表面拉应力、中间层上下两个界面的剪应力，查看涂层变形情况及是否有单元与单元之间的脱离与单元移除。将聚酯腻子层的厚度变1mm，调整聚氨酯面漆、聚氨酯中间层的厚度比例，分别制备复合涂层，采用自行研制的喷砂式冲蚀磨损试验系统进行试验，测量涂层的失重及观察表面形貌及涂层界面损伤情况。
本发明的车体复合涂层以聚氨酯面漆、聚氨酯中间层、聚酯腻子和环氧树脂底漆涂层体系为基础，将环氧树脂底漆跟换成微弧氧化陶瓷层底漆，有效地增加了整个涂层体系与铝合金基体之间的结合力，有效减少了涂层在运行时冲蚀过程中涂层整块脱落的可能性，同时，将车体复合涂层各部分的厚度按照最优厚度比进行匹配，有效地提高了车体复合涂层的抗冲蚀性能。
本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (7)

1.一种车体复合涂层的设计方法，该车体复合涂层包括依次排布的聚氨酯面漆、聚氨酯中间层、聚酯腻子和微弧氧化陶瓷层底漆，所述微弧氧化陶瓷层底漆涂在车体的铝基体上；其特征在于，包括以下步骤：
S1.以所述车体复合涂层构建物理模型，计算不同厚度比的所述车体复合涂层在冲击作用下的动力学响应，以表层所述聚氨酯面漆的单元移除量以及车体的铝基体与所述微弧氧化陶瓷层底漆的剥离作用力为标准判断所述车体复合涂层的抗冲蚀能力；
S2.根据所述计算的结果选出所述车体复合涂层的最优厚度比；
S3.按照所述最优厚度比在车体的铝基体上制备所述车体复合涂层；
S4.对所述车体复合涂层进行冲蚀试验，对比所述车体复合涂层与原有复合涂层的抗冲击性能，以验证所述车体复合涂层的所述最优厚度比。
2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述物理模型通过有限元软件Ansys/LS-DYNA构建。
3.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，所述物理模型中的冲击粒子选用刚性小球，所述聚氨酯面漆选用Johnson-Cook本构模型，所述聚氨酯中间层、聚酯腻子和微弧氧化陶瓷层底漆选用弹塑性本构模型。
4.根据权利要求3所述的设计方法，其特征在于，所述冲击粒子为直径95um～105um的小球，速度为90m/s～110m/s，冲蚀角度选为25°～35°。
5.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于，所述聚氨酯面漆的单元移除量通过累积损坏法则计算得到，对计算内的每个时间步计算所有单元的塑性应变，当某个单元在计算中塑性应变达到破坏临界值时该单元移除，计算完成后统计单元移除量。
6.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于，车体的铝基体与所述微弧氧化陶瓷层底漆的剥离作用力为计算时铝基体与所述微弧氧化陶瓷层底漆界面拉应力与剪应力的合力，以此合力来表征冲击过程中的剥离作用力。
7.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，采用喷砂式冲蚀磨损试验系统对所述车体复合涂层进行冲蚀试验，测量所述车体复合涂层的失重，观察所述车体复合涂层的表面形貌和界面损伤情况。
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