王東屏，陳濟(jì)臣，賴宇陽，油忠超

(1.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028； 2.北京樹優(yōu)信息技術(shù)有限公司，北京 100062 )*

電泳槽內(nèi)水平段汽車白車身的氣動(dòng)力數(shù)值模擬

王東屏1，陳濟(jì)臣1，賴宇陽2，油忠超1

(1.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028； 2.北京樹優(yōu)信息技術(shù)有限公司，北京 100062 )*

針對白車身在電泳槽中運(yùn)行過程的實(shí)際情況，建立了三維計(jì)算模型.基于日本CRADLE公司的SC/Tetra軟件，利用八叉樹方法對含有白車身的電泳槽模型進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，應(yīng)用k-ε標(biāo)準(zhǔn)湍流計(jì)算模型和SIMPLE算法對電泳槽中白車身外流場進(jìn)行流場模擬分析.文中采用靜網(wǎng)格模型和動(dòng)網(wǎng)格模型兩種不同方法對流場進(jìn)行了模擬計(jì)算并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比.計(jì)算表明，兩種方法所得結(jié)果相對誤差小于4.96 %，說明計(jì)算結(jié)果可靠.計(jì)算得到汽車白車身在電泳槽水平運(yùn)行時(shí)阻力值約為17.89 N，橫向力值約為1.85 N，升力值約為522.36 N，計(jì)算結(jié)果為電泳生產(chǎn)線中遇到的脫鉤、車身傾斜和車身顛覆等問題的解決提供了參考數(shù)據(jù).

數(shù)值模擬;電泳槽;汽車白車身;氣動(dòng)力

0 引言

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，我國汽車涂裝技術(shù)水平有了十足的進(jìn)步，許多涂裝技術(shù)和工藝水平都達(dá)到了世界的前列[1].汽車白車身涂裝中電泳過程占據(jù)著十分重要的位置，電泳是現(xiàn)在汽車涂裝工藝中最主要的手段.在常見的汽車量產(chǎn)生產(chǎn)線中，通常需要沖壓、焊裝、涂裝、總裝這四大工藝[2].現(xiàn)代涂裝工藝過程日益復(fù)雜，但無論如何復(fù)雜都可以把整個(gè)過程的工序分為前處理、涂裝、烘干、面涂等工序[3].在這四道工序中涂裝工序是重中之重.

國內(nèi)外學(xué)者對汽車在電泳槽中運(yùn)行的狀況進(jìn)行了模擬計(jì)算.高先海[4]運(yùn)用商用軟件Fluent對汽車駕駛室在電泳槽中運(yùn)行的阻力進(jìn)行了CFD模擬計(jì)算，獲得汽車駕駛室在涂裝電泳槽中運(yùn)動(dòng)過程獲得的阻力，得出速度越大阻力越大，車身剛剛運(yùn)動(dòng)時(shí)所受阻力達(dá)到最大值.2014年肖宇[5]發(fā)明了一種新型的汽車仿真裝置，該裝置優(yōu)化電泳部件，能夠在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬不同工藝條件下的電泳狀態(tài).FU Chang-Yong[6]研究了涂裝電泳槽內(nèi)空氣污染、泡沫盒收縮的問題，對涂裝電泳槽的各種環(huán)境都進(jìn)行了研究.

涂裝電泳槽的研究一直都是汽車流水線上重要的一部分，很多學(xué)者對汽車涂裝電泳過程中出現(xiàn)的車身傾斜、車身顛覆和運(yùn)動(dòng)裝置脫鉤的問題進(jìn)行了大量研究，但并沒有針對這些問題得到可靠的理論數(shù)據(jù).SC/Tetra是日本CRADLE軟件公司于1998 年推出的CFD軟件.該軟件在汽車、電站、國防、旋轉(zhuǎn)機(jī)械、環(huán)境等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[7- 8].

本文通過建立白車身模型和電泳槽模型，利用SC/Tetra軟件對白車身在電泳槽中的運(yùn)行進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算.采用靜網(wǎng)格和動(dòng)網(wǎng)格兩種方法仿真模擬出白車身在電泳槽中運(yùn)動(dòng)時(shí)車身周圍的壓力變化、速度變化，得出在涂裝工藝生產(chǎn)線中汽車白車身在電泳槽內(nèi)水平運(yùn)動(dòng)阻力值、浮力值和橫向力值，對已有電泳生產(chǎn)線中遇到的脫鉤、車身傾斜、車身顛覆等問題的修正提供數(shù)據(jù)支持.

1 靜網(wǎng)格數(shù)值計(jì)算模型

創(chuàng)建白車身電泳方案中車身水平段運(yùn)動(dòng)的分析模型，采用車靜止，電泳液繞著車身運(yùn)動(dòng)的靜網(wǎng)格模型.

1.1 汽車白車身模型

利用專業(yè)的建模軟件Pro/E根據(jù)實(shí)際模型建立了汽車白車身3D模型，為了更好的體現(xiàn)汽車的平穩(wěn)性同時(shí)也為了提高網(wǎng)格質(zhì)量和運(yùn)算速度，在保證計(jì)算準(zhǔn)確的情況下省去了不必要的細(xì)小特征，其中汽車白車身長5.2 m，寬2.1 m，高1.36 m.

圖1為電泳槽計(jì)算模型圖.電泳槽長24 m，寬2 m，高4 m.車體距自由液面0.7 m，車身位于槽中間位置，槽中為電泳液.

圖1 靜網(wǎng)格計(jì)算模型

1.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格的精細(xì)度對于模擬計(jì)算的精度有很大影響，網(wǎng)格劃分得越多，流體運(yùn)動(dòng)軌跡越清晰.對于復(fù)雜計(jì)算域，根據(jù)計(jì)算域大小制定不同的網(wǎng)格劃分方案[9].良好的網(wǎng)格質(zhì)量對計(jì)算精度有非常重要的影響，為了更準(zhǔn)確的模擬計(jì)算汽車白車身在電泳槽中運(yùn)動(dòng)所受的阻力、橫向力和升力變化，對汽車白車身車體近壁層區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化.

如圖2，采用四面體網(wǎng)格，車體表面劃分兩層邊界層，網(wǎng)格從車體周圍逐漸增大，遠(yuǎn)離車體的網(wǎng)格采用稀疏的網(wǎng)格，計(jì)算域中的整體網(wǎng)格數(shù)為1 010萬.網(wǎng)格質(zhì)量良好.

圖2 計(jì)算模型網(wǎng)格

1.3 計(jì)算參數(shù)設(shè)定

計(jì)算模型參數(shù)設(shè)定中，車靜止,電泳液以0.129 3 m/s的速度相對車體運(yùn)動(dòng)，電泳槽右側(cè)設(shè)為速度入口，左側(cè)設(shè)為壓力出口.電泳槽底面采用移動(dòng)壁面相對速度為0.129 3 m/s，頂部設(shè)為壓力出口，其他壁面設(shè)為固定壁面.

設(shè)置工作環(huán)境：電泳液密度為1 030 kg/m3，溫度為288 K，動(dòng)力粘度為0.245 Pa·s，運(yùn)用k-ε標(biāo)準(zhǔn)湍流計(jì)算模型和有限體積法對模型進(jìn)行計(jì)算.

1.4 計(jì)算結(jié)果分析

圖3為計(jì)算殘差曲線，隨著計(jì)算的進(jìn)行曲線趨向于收斂.迭代3 000步，計(jì)算收斂，收斂精度為10-5.

圖3 計(jì)算殘差曲線圖

如圖4所示，在重力作用下，電泳槽內(nèi)壓力從上往下逐漸增大.車頂最大壓力為7 205.10 N，車低壓力為20 869.1 N，車頭壓力明顯大于車尾部壓力.

圖4 車體縱向?qū)ΨQ面壓力分布圖

如圖5可以看出電泳液從車體周圍流過并從車窗進(jìn)入車體內(nèi)部，并在車頭和車尾部形成渦流，在車體頭部和車窗頂部局部速度變大.

圖5 速度矢量圖

從表1可以看出采用靜網(wǎng)格計(jì)算方法白車身在電泳槽中所受阻力、橫向力和升力的大小.電泳液對車身的橫向作用力基本對稱，橫向力很小.由于電泳液速度較低，車體的阻力較小.升力較大，車身產(chǎn)生的顛覆力矩就大，升力是影響車體顛覆和傾斜的主要原因.

表1 靜網(wǎng)格下白車身受力值大小 N

2 動(dòng)網(wǎng)格數(shù)值計(jì)算模型

動(dòng)網(wǎng)格計(jì)算模型劃分為A、B、C三個(gè)區(qū)域，區(qū)域B包含著車體以一定速度在電泳槽中勻速運(yùn)動(dòng)，A為拉伸區(qū)域，C為壓縮區(qū)域.

2.1 汽車白車身模型

對白車身采用動(dòng)網(wǎng)格模型進(jìn)行模擬計(jì)算，B作為車身運(yùn)動(dòng)區(qū)域，A和C分別作為動(dòng)網(wǎng)格計(jì)算模型的前后運(yùn)動(dòng)區(qū)域，汽車白車身長5.2 m，寬2.1 m，高1.36 m.

圖6為電泳槽動(dòng)網(wǎng)格計(jì)算模型圖.車體位于電泳槽中，電泳槽長24 m，寬2 m，高4 m.車體距自由液面0.7 m，槽中為電泳液.

圖6 動(dòng)網(wǎng)格計(jì)算模型

2.2 網(wǎng)格劃分

如圖7，采用動(dòng)網(wǎng)格，首先對車體周圍小區(qū)域B進(jìn)行網(wǎng)格劃分，兩層邊界層，網(wǎng)格從車體周圍逐漸增大.A和C區(qū)域是以B區(qū)域網(wǎng)格為基礎(chǔ)進(jìn)行拉伸的，其中A區(qū)域以0.98的縮小比例拉伸35層，C區(qū)域以1.02的伸長比例拉伸35層.

圖7 計(jì)算模型網(wǎng)格

對車體近壁層區(qū)域依然采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，計(jì)算域中的整體網(wǎng)格數(shù)為2 354萬，網(wǎng)格質(zhì)量良好.

2.3 計(jì)算參數(shù)設(shè)定

動(dòng)網(wǎng)格模型，白車身周圍區(qū)域B以0.129 3 m/s的速度向X正方向運(yùn)動(dòng)，車身定義為moving wall，車動(dòng)引起車體周圍電泳液的擾動(dòng).電泳槽的上表面作為壓力出口，右側(cè)設(shè)為壓力入口，左側(cè)作為壓力出口.其他壁面設(shè)為固定壁面.

電泳液的參數(shù)設(shè)定及湍流模型的選取與靜網(wǎng)格計(jì)算時(shí)一致.

2.4 計(jì)算結(jié)果分析

圖8是汽車白車身運(yùn)行到電泳槽中間位置時(shí)的壓力分布圖.能夠看出電泳槽內(nèi)壓力主要分布規(guī)律是從上往下逐漸增大，其中車頭壓力明顯大于車尾部壓力.

圖8 車體縱向?qū)ΨQ面壓力分布圖

隨著白車身在電泳液中的運(yùn)動(dòng)，車頭處電泳液速度明顯大于車尾處，車體內(nèi)部電泳液的流動(dòng)引起小范圍的渦流.

表2可以看出，白車身在電泳槽中采用動(dòng)網(wǎng)格的運(yùn)動(dòng)模型，分別產(chǎn)生阻力17.89 N、橫向力1.85 N和升力522.36 N.

表2 動(dòng)網(wǎng)格下白車身受力值大小 N

3 對比分析

文中運(yùn)用不可壓縮的力學(xué)模型，采用了靜網(wǎng)格和動(dòng)網(wǎng)格兩種不同的計(jì)算模型對汽車白車身在電泳槽中運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算.

圖9顯示了在靜網(wǎng)格和動(dòng)網(wǎng)格兩種計(jì)算模型下車身表面壓力分布圖，兩圖車身壓力都是從車頂向車身底部逐漸增大的趨勢.

圖9 汽車白車身兩種模型下壓力分布圖

在兩種計(jì)算方法下，分別取車頂、車底、車左側(cè)和車右側(cè)面的同一位置的壓力值，如表3所示.

表3 兩種模型在車表面同一位置壓力值大小對比 Pa

對比表3可以看出，車頂、車底、車身左側(cè)、車身右側(cè)在同一位置的壓力誤差分別為1.54%、0.85%、0.57%和0.65%，各壓力相對誤差較小，兩種方法所得白車身表面壓力分布基本保持一致.

對比表4數(shù)值，可以獲得汽車白車身在電泳槽中受到的各個(gè)方向作用力的大小.阻力值相對誤差為3.76%.橫向力相對誤差為4.96%，升力值相對誤差為0.41%，各氣動(dòng)力相對誤差小于等于4.96%.兩種方法計(jì)算結(jié)果基本一致.

表4 兩種模型白車身受力值大小對比 N

4 結(jié)論

文中采用靜網(wǎng)格模型和動(dòng)網(wǎng)格模型兩種數(shù)值計(jì)算方法分別對汽車白車身在電泳槽中運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了模擬計(jì)算，并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析得出以下結(jié)論：

(1)采用靜網(wǎng)格和動(dòng)網(wǎng)格兩種計(jì)算方法所得到的車身表面壓力分布規(guī)律基本一致.汽車白車身在車頂、車底、車身左側(cè)和右側(cè)在同一位置壓力的相對誤差均不超過1.54%;

(2)采用靜網(wǎng)格和動(dòng)網(wǎng)格兩種計(jì)算方法，得到汽車白車身的阻力、橫向力和升力相對誤差不超過4.96%.各方向作用力大小基本一致，計(jì)算數(shù)據(jù)具有較大可靠性;

(3)兩種計(jì)算方法得到的升力分別為520.22 N和522.36 N，升力值較大，是影響車身脫鉤、傾斜和顛覆的主要因素.

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Numerical Simulation of Aerodynamic Force of White Car Body Running in Horizontal Section of Electrophoresis Tank

WANG Dongping1，CHEN Jichen1，LAI Yuyang2，YOU Zhongchao1

(1.School of Mechanical Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China; 2.Beijing SOYOTEC.Co.,Ltd，Beijing 100062,China)

According to the actual situation of the white car body running in the electrophoresis tank,a three dimensional calculation model was established. Based on SC/Tetra software of Japan CRADLE company,mesh of electrophoresis tank which contains the white car body was divided in using the octree method.The outflow field of the white car body running in the electrophoresis tank was analyzed byk-εstandard turbulent flow model and SIMPLE algorithm.Two methods of moving grid and static grid were used to simulate calculation,and results were compared in this article.The result show that the relative error of the results of the two methods is less than 4.96%,and the calculation results are reliable.The resistance value is about 18 N,the transverse force value is about 1.8 N,and the lift value is about 520 N for the white car body.

numerical simulation;electrophoresis tank;white car body;aerodynamic force

1673- 9590(2017)05- 0033- 04

A

2016- 10- 10

王東屏(1962-)，女，教授，博士，主要從事空氣動(dòng)力學(xué)相關(guān)研究 E-mail:wdp1962@163.com.