CN113420364B - 一种基于流固耦合的电泳过程车身结构变形仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于流固耦合的电泳过程车身结构变形仿真方法，包括依据车身及闭合件几何数据输入，分别建立流体模型及固体模型；在流体侧，采用有限体积法，结合多相流仿真方法及重叠网格技术建立流体的计算域、定义车身的电泳运动、完成计算模型设置；完成流体模型搭建及定义后，进行数据映射及输出设置，将流体载荷映射至固体模型；在固体侧方面，结合有限单元法进行车身在电泳载荷及重力载荷下的结构力学非线性仿真，验证白车身及开闭件塑性变形情况。本发明完成整套电泳过程车身结构变形仿真方法的归纳，并规范为固定的流程，填补了电泳过程车身结构变形这一流固耦合问题的技术空白，为结构设计优化及生产制造工艺优化提供强有力的支持。

Description

一种基于流固耦合的电泳过程车身结构变形仿真方法

技术领域

本发明属于电泳涂装技术领域，具体涉及一种基于流固耦合的电泳过程车身结构变形仿真方法。

背景技术

汽车车身涂装是指将涂料涂覆盖在经过处理的基底表面上，经干燥成膜的工艺。电泳涂装是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电极之一的基底表面的涂装方法，该方法具有低污染、省能源、省资源、起保护作用和防腐蚀性的特点。电泳漆膜具有涂层丰满、均匀、平整、光滑的优点，电泳漆膜的硬度、附着力、耐腐、冲击性能、渗透性能明显优于其它涂装工艺。电泳涂装工艺一般由涂装前预处理、电泳涂装、电泳后清洗、电泳涂膜的烘干等多道工艺组成，如图1所示。为提高电泳质量和生产节拍，新型翻转线、穿梭机等电泳线逐步被采用，而与之带来的是白车身闭合件的变形、生产过程中车身倾斜和运动装置的脱钩等现象在电泳过程中时有发生。

当前，对电泳过程车身结构变形仿真方法研究尚处于起步阶段，未有全面系统的流程与试验对比作为支撑。ESS工程软件斯太尔有限公司提出了一种基于有限差分法对工业EPD涂层过程进行准确有效的模拟方法。纽伦堡爱尔兰根亚历山大大学的Dom inikBartuschat介绍了一种用于微流控电泳大规模并行直接数值模拟的耦合算法，这种多物理算法采用了流体和离子的欧拉描述，结合了移动带电粒子的拉格朗日表示。卡尔斯鲁厄理工学院用数值方法证明了分段式对电极在不同电位差下可以有效地减少涂层材料的用量，将现有的模型扩展到三维空间中的任意非平面几何。上汽通用五菱汽车股份有限公司应用电泳仿真CAE技术对车身电泳膜厚进行了仿真分析，提升了产品的强度和防腐性能。

传统结构强度设计主要考虑整车的碰撞、强度、模态和刚度等参数，并未充分考虑白车身在各大工艺过程的应力应变累积情况。而白车身在冲压、焊接工艺设计时，充分考虑了材料、模具、夹具等因素的影响，白车身焊接总成整体变形量不大。而当焊接总成进过涂装生产线，由冲压、焊接引入的残余应力、电泳泳池中的流体压力积累的塑形变形、烘烤引入的材料应力释放、热应力变形等因素，造成最终总装时，部分车身结构面差较大，无法顺利装配。

现有技术公开了一种基于流固耦合的列车穿越风下线路振动响应计算方法，通过搭建高速列车运动的瞬态模型，计算高速列车周围的流场变化，并采用流固耦合方法，将变化的风场作为激励施加到输电线路上，最终计算得到高铁穿越风下输电线路的振动响应。现有技术还公开了一种基于流固耦合的汽车气动特性，车身结构振动与气流之间耦合作用带来的影响，以1/4标准MIRA模型为研究对象，通过双向显式流固耦合仿真方法将流固耦合效应引入到数值计算中，得到不同工况下的气动力、表面压力、振动频率以及车身姿态角等数据，分析与传统仿真方法在计算结果上的差异，再利用风洞测试技术验证仿真结果的准确性。上述现有技术是以固体-气体为主要研究对象，对高速列车在风场作用下的振动响应或车身结构与气流之间耦合作用带来的性能影响进行分析，不能获电泳过程车身结构变形。

发明内容

本发明提供了一种基于流固耦合的电泳过程车身结构变形仿真方法，以解决电泳过程车身结构变形的流固耦合问题。本发明通过VOF有限体积法考虑气-液-固三相的交互作用，采用重叠网格法进行流体侧仿真分析，通过单向耦合法将流体载荷映射至固体侧计算激励下各离散单元非线性位移响应，从而获取钣金残余变形。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于流固耦合的电泳过程车身结构变形仿真方法，包括以下步骤：

依据车身及闭合件几何数据输入，分别建立流体模型及固体模型；在流体侧，采用有限体积法，结合多相流仿真方法及重叠网格技术建立流体的计算域、定义车身的电泳运动、完成计算模型设置；完成流体模型搭建及定义后，进行数据映射及输出设置，将流体载荷映射至固体模型；在固体侧方面，结合有限单元法进行车身在电泳载荷及重力载荷下的结构力学非线性仿真，验证白车身及开闭件塑性变形情况。

具体包括以下步骤：

A、调整数据模型至电泳状态，并确保CAD模型及CAE模型坐标一致，两者完全重合；

B、进行运动的描述，根据导轨的中间轨迹线制作轨迹坐标，将点B选为轨迹线的起点，时间步长设为0.1s，白车身运动切向速度为2.97m/min，计算得到单个时间步长移动距离为4.95mm，通过轨迹线生成间距小于4.95mm的坐标点得到运动轨迹坐标，C点及D点的运动轨迹坐标通过A点及B点运动轨迹坐标平移所得；

C、基于电泳车间的CATIA模型建立流体计算模型，以电泳车间最大内部空间建立流体计算模型的计算域，在入口和出口处做适当延伸；将建立好的电泳车间计算域划分网格并导出；

D、白车身及夹具的建模采用整体包面和局部细化的网格策略，将调整好相对关系的白车身与夹具模型导入模型进行面网格划分；

E、计算域包括电泳水槽及车间组成的全局计算域和白车身及周围流体区域组成的局部计算域，其中全局计算域包括电泳水槽、车间、入口、出口及出入口延长段，给全局计算域和局部计算域赋予合适的边界条件；

F、设置重叠，同时选取全局计算域和局部计算域，生成Overset界面，设置为线性插值；

G、设置所需物理模型；

H、导入CAE模型，检查映射数据表面法向，分别显示导入CAE模型表面和对应流体模型表面的法向，数据映射，压力载荷导出及自动输出载荷；

I、将映射数据结果进行整合转换，将各时间各节点载荷转换导出各单元时间-载荷曲线及加载设置；

J、设置固体侧有限元模型，附加非线性材料属性，施加流体压力载荷及重力场载荷进行计算。

进一步地，步骤A，通过定义运动轨迹、切向速度和转动约束来进行运动的描述。

进一步地，步骤C，网格尺寸256mm。

进一步地，步骤E，建立合适大小的长方体区域包围车身及辅具形成局部计算域。

进一步地，步骤F，体网格参数设置，划分计算域体网格，总体网格数量为2000万。

进一步地，步骤G，具体包括以下步骤：

G1、定义自适应网格加密；

G2、添加欧拉多相属性，添加液体和气体相；

G3、创建液面高度，通过field function设置液面高度定位点为[0.0,0.0,-0.226384]m，页面高度为地面下250mm；

G4、设置初始条件与边界条件；

G5、设置运动轨迹；

G6、设置时间步长0.1s，总时长800s。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、车身电泳过程中边界条件，包括工艺操作参数设定的整体移动速度、翻转速度、喷嘴流场等均会影响白车身CFD分析结果，且车身在出水时会产生积液问题，因此边界条件的准确度及选用的算法模型将会对结果精度有较大影响。本发明充分考虑以上因素，进行仿真分析，排除影响较小的因素简化仿真分析流程，同时确保分析有较高的精度；

2、由于白车身在电泳槽中是按轨迹作非直线运动的，为提高分析精度，更好的模拟白车身在电泳池中的应用，本发明采用重叠网格技术。白车身及开闭件结构较为复杂，同时具有较多的孔及缝隙，在有限体积法及重叠网格技术下，离散化较易影响精度且提升分析时间，因此本发明制定了完善的流体模型建模规范；

3、车身电泳过程是长时间(800s)的动态分析过程，限制于收敛性及仿真精度等因素，完成全流程分析需较长时间。本发明排除无用因素，同时对仿真模型及工况进行简化，规范分析流程，在保证精度的前提下大幅度提高分析效率；

4、该分析为流固耦合分析，其中流体测为有限体积法求解，固体侧为有限单元法求解，因此不同的映射算法、迭代步长等因素都会对固体结构离散方程求解产生较大影响。本发明结合映射算法理论依据及试算对比，确定明确的映射方法。同时，为提高映射效率，开发两套自动化程序，以便映射结果的自动导出及映射结果在固体侧的加载设置；

5、白车身在电泳过程中对试验所需使用的工具材质等因素有较高要求，不易进行试验验证。本发明设计出一套试验方法及对应的试验辅具，完成试验验证；

6、由于流固耦合过程对结果产生影响的参数较多，无法确保分析精度。在完成试验后，本发明对仿真试验一致性进行了分析对比，调整并制定仿真分析参数，仿真试验一致性达到80％以上。

本发明完成整套电泳过程车身结构变形仿真方法的归纳，并规范为固定的流程，填补了电泳过程车身结构变形这一流固耦合问题的技术空白，为结构设计优化及生产制造工艺优化提供强有力的支持。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1电泳涂装工艺图；

图2本发明基于流固耦合的电泳过程车身结构变形仿真方法的流程图；

图3确保CAE模型与CAD模型坐标一致；

图4电泳运动轨迹定位点；

图5生成的固定A和B的轨迹线

图6电泳车间计算域建模；

图7电泳车间计算域网格；

图8白车身、开闭件及辅具模型；

图9全局计算域示意图；

图10HS7电泳流体仿真模型局部计算域示意图；

图11-图12计算域体网格；

图13电泳V型进水导轨；

图14需要映射数据的CAE模型。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1所示，本发明基于流固耦合的电泳过程车身结构变形仿真方法，包括以下步骤：依据车身及闭合件几何数据输入，分别建立流体模型及固体模型；在流体侧，采用有限体积法，结合多相流仿真方法及重叠网格技术建立流体的计算域、定义车身的电泳运动、完成计算模型设置；完成流体模型搭建及定义后，进行数据映射及输出设置，将流体载荷映射至固体模型；在固体侧方面，结合有限单元法进行车身在电泳载荷及重力载荷下的结构力学非线性仿真，验证白车身及开闭件塑性变形情况。

具体步骤如下：

1、调整数据模型至电泳状态，并确保CAD模型及CAE模型坐标一致，两者完全重合，见图3。坐标一致是保证数据映射准确的最基本条件，不建议在CFD和CAE建模过程中移动模型关键部件，如有移动需记录移动坐标，包括平移和转动。

2、在Star-CCM+中通过定义运动轨迹、切向速度和转动约束来进行运动的描述。根据导轨的中间轨迹线制作轨迹坐标，将点B选为轨迹线的起点，为了充分描述运动轨迹，尽量保证速度连续可导，时间步长设为0.1s，白车身运动切向速度为2.97m/min，计算得到单个时间步长移动距离为4.95mm，因此通过轨迹线生成间距小于4.95mm的坐标点得到运动轨迹坐标。C点及D点的运动轨迹坐标通过A点及B点运动轨迹坐标平移所得。

经过测量，定位尺寸h＝3.25m，l＝2.707375m。h用于定义约束转动，l为上下轨迹线的距离，见图5。

3、基于电泳车间的CATIA模型建立流体计算模型，以电泳车间最大内部空间建立流体计算模型的计算域，在入口和出口处做适当延伸。

将建立好的电泳车间计算域划分网格并导出bdf格式文件，网格尺寸256mm，后续导入Star-CCM+进行流体模型建立。

4、白车身及夹具的建模采用整体包面和局部细化的网格策略，将调整好相对关系的白车身与夹具模型导入Star-CCM+模型进行面网格划分。

5、计算域包括电泳水槽及车间组成的全局计算域和白车身及周围流体区域组成的局部计算域，其中全局计算域包括电泳水槽、车间、入口、出口及出入口延长段，如图9所示。

局部计算域如图10所示，建立合适大小的长方体区域包围车身及辅具，形成局部计算域。

给全局计算域和局部计算域赋予合适的边界条件，其中局部计算域的边界定义为Overset Mesh。

体网格设置参数划分计算域体网格，总体网格数量为2000万，体网格截面示意图如图11-图12所示。

6、设置Overset，同时选取Global Domain和Local Domain，右键CreateInterface->Overset Mesh，生成Interface，在Interfaces出现Overset Mesh1，设置Interpolation Option为Linear。

7、Continua->Physics1设置所需物理模型。

定义自适应网格加密，Physics1->Models->Adaptive Mesh->Adaptive MeshCriteria，邮件添加Overset Mesh Refinement，保持默认设置。

添加欧拉多相属性Physics1->Models->Eulerian Multiphase->EulerianPhases，添加液体和气体相，命名为Paint和Air，属性分别为水和空气。

创建液面高度，通过field function设置液面高度定位点为[0.0,0.0,-0.226384]m，页面高度为地面下250mm。

设置初始条件与边界条件，在初始化条件中设置Volume Fraction>Composite N-1>Paint>field function>Paint。将计算域两个压力出口位置Physics Values>VolumeFraction设置为[0,1]，表明边界处回流中仅有空气可以进入。

设置运动轨迹，Tools->Tables导入CD两点的运动轨迹，Tools->Motions新建Trajectory，用导入的轨迹定义Trajectory，设置如下，

定义标量函数user_velocity＝2.79m/min(0.0495m/s)，定义轨迹约束转动，Motions>Trajectory>Superposing Motions，右键选择Constrained Rotation，设置Horizontal Offset为3.25m。Regions>Local Domain>Physics Value>MotionSpecification，设置Motion为Trajectory>Constrained Rotation。

设置时间步长0.1s，总时长800s。

8、整理CAE模型，导出需要映射数据的结构网格，如图14所示，选择所有车身覆盖件为数据映射面。

将CAE模型导入Star-CCM+，File>import>import CAE model选择需要导入的模型文件，选择合适的单位，导入模型，在star模型树中添加了一行Imported Models，即为导入的CAE模型。

检查映射数据表面法向，新建Vector Scene，分别显示导入CAE模型表面和对应流体模型表面的法向，函数为Area，如图所示，法向相对即为相匹配的数据映射面。

数据映射，Imported Model>Abaqus:hood右键map data>surface data，选择对应表面及函数，apply。Tools>Data Mappers>Surface Data Mapper>Target Specifications>Surface 1>Normal Direction Constraint勾选Enabe。

压力载荷导出，Imported Model>Abaqus:hood右键Export Mapped Data，选择需要导出的面和对应函数，命名需要导出的文件，save。

通过编写Java程序实现载荷的自动输出。

9、通过编写Java程序将映射数据结果进行整合转换，将各时间各节点载荷转换导出各单元时间-载荷曲线及加载设置。

10、设置固体侧有限元模型，附加非线性材料属性，施加流体压力载荷及重力场载荷进行计算。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (7)

1.一种基于流固耦合的电泳过程车身结构变形仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：依据车身及闭合件几何数据输入，分别建立流体模型及固体模型；在流体侧，采用有限体积法，结合多相流仿真方法及重叠网格技术建立流体的计算域、定义车身的电泳运动、完成计算模型设置；完成流体模型搭建及定义后，进行数据映射及输出设置，将流体载荷映射至固体模型；在固体侧方面，结合有限单元法进行车身在电泳载荷及重力载荷下的结构力学非线性仿真，验证白车身及开闭件塑性变形情况。

2.根据权利要求1所述的一种基于流固耦合的电泳过程车身结构变形仿真方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

A、调整数据模型至电泳状态，并确保CAD模型及CAE模型坐标一致，两者完全重合；

B、进行运动的描述，根据导轨的中间轨迹线制作轨迹坐标，将点B选为轨迹线的起点，时间步长设为0.1s，白车身运动切向速度为2.97m/min，计算得到单个时间步长移动距离为4.95mm，通过轨迹线生成间距小于4.95mm的坐标点得到运动轨迹坐标，C点及D点的运动轨迹坐标通过A点及B点运动轨迹坐标平移所得；

C、基于电泳车间的CATIA模型建立流体计算模型，以电泳车间最大内部空间建立流体计算模型的计算域，在入口和出口处做适当延伸；将建立好的电泳车间计算域划分网格并导出；

D、白车身及夹具的建模采用整体包面和局部细化的网格策略，将调整好相对关系的白车身与夹具模型导入模型进行面网格划分；

E、计算域包括电泳水槽及车间组成的全局计算域和白车身及周围流体区域组成的局部计算域，其中全局计算域包括电泳水槽、车间、入口、出口及出入口延长段，给全局计算域和局部计算域赋予合适的边界条件；

F、设置重叠，同时选取全局计算域和局部计算域赋，生成界面，设置为线性插值；

G、设置所需物理模型；

H、导入CAE模型，检查映射数据表面法向，分别显示导入CAE模型表面和对应流体模型表面的法向，数据映射，压力载荷导出及自动输出载荷；

I、将映射数据结果进行整合转换，将各时间各节点载荷转换导出各单元时间-载荷曲线及加载设置；

J、设置固体侧有限元模型，附加非线性材料属性，施加流体压力载荷及重力场载荷进行计算。

3.根据权利要求2 所述的一种基于流固耦合的电泳过程车身结构变形仿真方法，其特征在于：步骤A，通过定义运动轨迹、切向速度和转动约束来进行运动的描述。

4.根据权利要求2 所述的一种基于流固耦合的电泳过程车身结构变形仿真方法，其特征在于：步骤C，网格尺寸256mm。

5.根据权利要求2 所述的一种基于流固耦合的电泳过程车身结构变形仿真方法，其特征在于：步骤E，建立合适大小的长方体区域包围车身及辅具形成局部计算域。

6.根据权利要求2 所述的一种基于流固耦合的电泳过程车身结构变形仿真方法，其特征在于：步骤F，体网格参数设置，划分计算域体网格，总体网格数量为2000万。

7.根据权利要求2 所述的一种基于流固耦合的电泳过程车身结构变形仿真方法，其特征在于：步骤G，具体包括以下步骤：

G1、定义自适应网格加密；

G2、添加欧拉多相属性，添加液体和气体相；

G3、创建液面高度，通过field function设置液面高度定位点为[0.0,0.0,-0.226384]m，页面高度为地面下250mm；

G4、设置初始条件与边界条件；

G5、设置运动轨迹；

G6、设置时间步长0.1s，总时长800s。

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