Author: Saba Golshaahi Sumesaraayi; Max Flamm

Translator: 張一丹

電泳涂裝是工業(yè)領(lǐng)域中保護(hù)金屬工件，提升其耐腐蝕性的常用工藝方法，其原理是通過外加直流電源形成電場，帶電荷的涂料微粒在電場力的作用下均勻沉積于金屬工件表面。在此工藝過程中，通過對電場的利用，使得涂料能夠均勻的涂覆于具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的金屬零件上。這些漆料能夠牢固地附著在金屬工件表面，并為工件提供出色的耐腐蝕保護(hù)[1]。

電泳涂裝工藝被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，特別是在汽車的制造中。電泳過程中，整個車身浸入電泳液中，并利用電泳現(xiàn)象進(jìn)行材料涂裝。

電泳工藝分為陰極電泳和陽極電泳兩種類型，由于陰極電泳涂層的耐腐蝕性高，汽車行業(yè)中陰極電泳的使用是非常廣泛的。典型的陰極電泳工藝通常包括以下幾個步驟：除油（degreasing）、沖洗（Rinse）、磷化（Phosphating）、沖洗（Rinse）、電泳（E-coating）、沖洗（Rinse）、排水（Draining）、烘干（Baking），過程示意圖如圖1。這一工藝流程中，與CFD相關(guān)的步驟包括預(yù)處理（如磷化）、電泳涂裝以及各個沖洗步驟。從圖中可以看出，整個工藝流程中的多個步驟都涉及到車身在液體中的浸入和拖出，也是本文分析的重點(diǎn)。

圖1: 典型的電泳工藝流程.[2]

在整個工藝過程中，白車身首先會被浸入到液體中（如水、磷化液或者其他預(yù)處理液和電泳液），此后白車身會按照設(shè)計(jì)的路線平移、旋轉(zhuǎn)，伺候被拖出液面。為了避免每個工序中有液體殘留在工件表面，進(jìn)而對下一步驟的液槽造成污染，應(yīng)當(dāng)在車身轉(zhuǎn)移至下一步驟前完成排液。液槽尺寸與工件尺寸匹配，在約400m3的空間內(nèi)完成涂裝。視頻1中展示的是寶馬慕尼黑工廠中的電泳涂裝工藝過程。

視頻1：寶馬慕尼黑工廠的涂裝工藝

通常來說，受限于復(fù)雜的前處理和動網(wǎng)格生成過程，傳統(tǒng)的計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamic，簡稱CFD）仿真工具難以模擬傾斜和拖曳運(yùn)動。實(shí)踐證明，對于這種涉及復(fù)雜幾何和動態(tài)過程的仿真，無網(wǎng)格CFD仿真方法是非常有優(yōu)勢的，本文介紹的PreonLab正是這樣一款無網(wǎng)格CFD仿真工具，使用PreonLab軟件做相關(guān)仿真，無需生成車輛和流體域網(wǎng)格，更無需網(wǎng)格重構(gòu)和網(wǎng)格變形。此外，PreonLab可以在排水階段自動減少計(jì)算量，從而簡化仿真設(shè)置、提升仿真效率。

對于整個電泳涂裝工藝來說，除了涉及到電泳現(xiàn)象的電泳底漆涂覆，其他的所有過程都可以通過PreonLab進(jìn)行準(zhǔn)確模擬。這意味著PreonLab可以在不考慮電泳現(xiàn)象的前提下，對電泳涂裝過程中的流體力學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行建模仿真，重點(diǎn)對涂裝工藝中的液體流動和排出過程進(jìn)行分析。下面的視頻展示了PreonLab對該過程的模擬。

視頻2：PreonLab計(jì)算電泳涂裝工藝的渲染結(jié)果

本節(jié)將介紹PreonLab進(jìn)行電泳涂裝仿真的最重要特色功能。

車身上有很多尺寸很小的孔，為了準(zhǔn)確模擬這些孔對液體流動的影響，需要在仿真過程中使用足夠小的粒子尺寸。與此同時(shí)，如視頻1所展示的，液槽尺寸很大，在工藝過程中涉及到的液體量非常多，如果對所有液體都采用如此小的粒子尺度進(jìn)行求解，從工程應(yīng)用的效率上是不現(xiàn)實(shí)的。

為了保證工程應(yīng)用的效率要求，仿真要求程序能夠智能化的進(jìn)行粒子細(xì)化和粒子合并，PreonLab中的連續(xù)粒子尺寸（CPS）算法可以很好的滿足這一要求，并真正改變粒子法仿真的游戲規(guī)則。視頻3所展示的是PreonLab的連續(xù)粒子尺寸方法在電泳涂裝工藝中的實(shí)現(xiàn)。

視頻3：連續(xù)粒子尺寸（CPS）方法在電泳工藝過程CFD仿真中的應(yīng)用

為了充分利用連續(xù)粒子尺寸算法的優(yōu)勢，在我們的示例中使用了近壁面粒子細(xì)化的功能，當(dāng)粒子靠近幾何結(jié)構(gòu)時(shí)，就會自動細(xì)化，從而更加精細(xì)的考慮復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)附近的流動。視頻4演示了使用幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行粒子細(xì)化的功能。

視頻4：PreonLab5.2功能演示：近壁面粒子細(xì)化

接下來是結(jié)果分析的展示，使用PreonLab進(jìn)行電泳過程仿真后，我們可以進(jìn)行結(jié)果后處理，本次仿真中用到的主要的后處理器為：

PreonLab的濕壁傳感器可以用于確認(rèn)零部件的各個位置是否與液體直接接觸，支持對任意時(shí)間范圍的結(jié)果進(jìn)行輸出。除此之外，wetting sensor也可以輸出某個部件各個位置與液體直接接觸的時(shí)長。視頻5是wetting sensor進(jìn)行后處理的結(jié)果展示。

視頻5：三維結(jié)果展示：車身濕壁情況

PreonLab的力傳感器可以對統(tǒng)計(jì)并輸出整個過程中車身的受力。用戶可以使用PreonLab的力傳感器測量車身各個位置的應(yīng)力和扭矩。通過分析車身在整個工藝過程中的受力，可以幫助電泳涂裝工藝工程師和車輛結(jié)構(gòu)工程師優(yōu)化工藝過程和車身結(jié)構(gòu)。此外，計(jì)算的結(jié)果也可以很方便的作為邊界條件導(dǎo)入到其他軟件。

在視頻6中，您可以從不同的角度看到車身上的累積最大受力是如何隨時(shí)間變化的，并重點(diǎn)關(guān)注浸入和拖出過程中車輛各個部件的受力。

視頻6：車身累積最大受力分布隨時(shí)間的變化情況

體積傳感器可以方便的統(tǒng)計(jì)車身重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域排出液體的時(shí)間。

圖2展示了車身附近區(qū)域的液體體積隨時(shí)間的變化。當(dāng)車身完全浸在液體中，此時(shí)體積傳感器測得的液體體積達(dá)到最大值，當(dāng)車身被拖出后，體積傳感器測得的液體體積逐漸減小。

分析該結(jié)果，可以判斷車身拖出后能否順利排液，并通過調(diào)整車身設(shè)計(jì)及工藝過程實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，如，在車身上布置更多排水孔，或者調(diào)整拖曳曲線，從而減少電泳涂裝各個工序之間所需的停留時(shí)間，提高效率，避免由于殘液導(dǎo)致的液槽間交叉污染。

圖2：車身區(qū)域的液體體積隨時(shí)間的變化

圖3：行李廂區(qū)域的液體體積隨時(shí)間的變化

圖3展示了行李廂區(qū)域液體體積隨時(shí)間的變化，這也是本案例中最關(guān)注的區(qū)域之一。圖中右側(cè)展示了統(tǒng)計(jì)液體體積的區(qū)域示意圖。

從圖3和視頻7可以看到，在車身被拖出儲液槽后，仍然有一些液體殘留在行李廂中，很可能一直無法排出。在初始設(shè)計(jì)方案中，這種情況是非常常見的。為了保證液體能夠被順利排出，很有必要通過仿真識別殘液的位置，基于殘液的位置信息，工程師可以優(yōu)化車身及浸入和拖曳曲線，這種方法可以用于任意的車身和工藝曲線的組合。

視頻7：車身中的殘液分布

使用PreonLab的Python API（PreonPy），用戶可以自動檢測殘液位置。在本例中，我們在模擬結(jié)束后，利用PreonPy自動尋找體積超過10ml的殘液區(qū)域，重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域是行李廂區(qū)域。如圖4所示，一共檢測到6個體積超過10ml的殘液區(qū)域。圖中橙色的圓點(diǎn)為每個殘液區(qū)域的中心位置。

圖4：體積超過10ml的殘液區(qū)域

采用PreonLab內(nèi)置的網(wǎng)格生成功能（Preon Mesher），可以對殘液區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格生成，并支持將網(wǎng)格導(dǎo)出為CAD文件。這些文件可以導(dǎo)入其他軟件中，用于仿真、設(shè)計(jì)和分析（見圖5）。

圖5：殘液區(qū)域的網(wǎng)格生成和導(dǎo)出

上述是本文中列舉的，采用PreonLab進(jìn)行電泳涂裝仿真可以獲得的一些典型結(jié)果。PreonLab提供了多種后處理選項(xiàng)，設(shè)計(jì)和分析工程師可以根據(jù)需求，從仿真中獲得更多洞察。

本文所展示的算例使用64核，仿真100秒物理時(shí)長，僅需60小時(shí)。基于仿真過程中的粒子細(xì)化和粒子刪除等提高仿真效率的措施，液體粒子數(shù)范圍是18萬到900萬。

圖6所示為求解粒子數(shù)和計(jì)算時(shí)長的信息，可以清楚的看出計(jì)算量與流體粒子數(shù)量之間的關(guān)聯(lián)。52秒左右，計(jì)算時(shí)長的斜率顯著增加，這是細(xì)化被激活的原因，當(dāng)車身從儲液槽中拖出并開始排水時(shí)，細(xì)化設(shè)置被激活且目標(biāo)粒子尺寸較小，導(dǎo)致了粒子數(shù)目的增加和計(jì)算時(shí)間的增加，這也是PreonLab提供的計(jì)算精度和計(jì)算效率之間的平衡。

圖6：液體粒子數(shù)和計(jì)算時(shí)間

PreonLab提供了獨(dú)特的粒子細(xì)化功能，極大地滿足了電泳涂裝工藝設(shè)計(jì)的需求，可以幫助工程師在樣件生產(chǎn)之前識別缺陷并改進(jìn)。由于PreonLab的易用性和無需生成計(jì)算網(wǎng)格的特點(diǎn)，用戶可以快速進(jìn)行建模和仿真。

借助連續(xù)粒子尺寸、近壁面細(xì)化和強(qiáng)大的求解算法，PreonLab能夠有效而準(zhǔn)確預(yù)測液體流動；通過內(nèi)置傳感器，可以輕松預(yù)測排水時(shí)間、對車身受力進(jìn)行可視化分析，以及評估設(shè)計(jì)方案；通過內(nèi)置的Python API（PreonPy），可以對特定目標(biāo)進(jìn)行復(fù)雜的后處理，從模擬中提取最深入的信息。