一种车轮静电粉末喷涂过程的仿真方法、系统及存储介质与流程

本发明涉及表面喷涂，具体地涉及一种车轮静电粉末喷涂过程的仿真方法、系统及存储介质。

背景技术：

1、目前，作为面向节能减排的替代溶剂型涂料的产品，主要有粉末涂料和水性涂料，两者互有优势，将长期并存。

2、粉末涂料相比于水性涂料，其涂料利用率高，回收方便。但是粉末喷涂的工件表面覆盖问题较液体涂料更为突出，这是由于粉末涂料的流平性较差，固化对其膜厚分布影响较小，工件膜厚的分布主要取决于喷涂过程，而对于造型复杂的工件，比如车轮，其表面角度变化不一，窗口曲面甚至与喷涂方向平行，同时局部会因存在凹孔或凹槽而产生静电屏蔽，在喷涂过程中非常容易造成局部涂料覆盖不足，严重时会出现漏底，造成防腐性能下降。因此，对于造型复杂的工件，静电粉末喷涂过程的工艺控制参数非常重要。目前的工艺参数主要是由现场工艺人员根据经验及现场试喷来确定的，但这种方法对材料、人工及设备都造成了极大的浪费，工艺参数的变化对膜厚分布的影响也没有直观的反馈。

3、针对涂料喷涂的过程，目前出现了许多仿真分析手段，主要可以分为三类：一种是通过计算流体力学（cfd）对喷涂过程工件表面漆膜厚度进行仿真，但只能对液体涂料进行仿真，且无法考虑静电场的影响；一种是通过传感器在线采集数据，然后处理数据来形成数字孪生模型，这种方法受传感器的采集数据类别、传感器数量及传感器分布位置的影响较大，如果要获得准确的模型，需要极多的传感器数量及合理的分布，这会大大降低现场的可操作性；一种是通过大量平板喷涂实验建立刷子表，然后通过数据反向拟合，建立仿真模型，这种方法实验量大，成本较高，目前也只能进行液体涂料喷涂仿真，且针对造型简单的工件应用效果较好，但无法对造型复杂的工件进行准确仿真。

4、针对车轮这类具有复杂造型的工件，其静电粉末喷涂过程中，特别是车轮在喷涂过程中会持续进行旋转加直线运动，目前还没有仿真方法能够进行对其进行模拟分析。

技术实现思路

1、为了解决以上所述的问题，本发明提供了一种针对车轮静电粉末喷涂过程的仿真方法、系统及存储介质，例如基于fluent仿真软件，利用有限体积法求解电场和流场，利用离散粒子法求解涂料粉末颗粒的运动轨迹，利用动网格方法设置车轮的运动方程，通过耦合计算，得到粉末颗粒在电场、流场及重力场作用下的累计到旋转车轮表面的数量，并转化为厚度输出。

2、根据本发明的一方面，提供一种车轮静电粉末喷涂过程的仿真方法，包括：

3、3d几何建模及流体计算域提取和离散化步骤，根据粉房、喷枪、支撑台以及车轮的几何尺寸，在三维建模软件中建立粉房及喷枪、车轮、支撑台的3d几何模型，再建立一个覆盖整个粉房的边界几何体，该边界几何体外表面尺寸与粉房的外表面尺寸一致，但内部为不含任何空腔的实体，在三维建模软件中通过边界几何体与其他几何体之间布尔相减的操作提取流体计算域，该流体计算域是粉房内的空腔和表面所占的区域，其边界包括喷枪、支撑台以及车轮的外表面、粉房的内表面以及粉房入口和粉房出口，喷枪的外表面包括电针针尖表面、粉末粒子入口面以及喷枪其余表面，将该流体计算域分为刚体旋转区域、动态网格区域以及固定网格区域，将刚体旋转区域、动态网格区域以及固定网格区域分别划分为四面体单元以分别对各个区域进行网格离散化处理，所述刚体旋转区域包括车轮表面，所述固定网格区域包括喷枪表面和支撑台表面，所述动态网格区域为刚体旋转区域与固定网格区域之间的区域；

4、粉末粒径测试及仿真粉末设置步骤，测量涂料粉末的实际粒径大小分布，在喷枪粉末粒子入口面上随机取点，读取这些点的坐标信息，对每个点赋予不同的粒径大小数据，且这些点的总体粒径大小分布符合实际粒径大小分布，对每个点设置初始速度和密度数据，最后输出文本文件；

5、车轮旋转运动实现步骤，在计算过程中，刚体旋转区域内的网格不变，其整体进行旋转，固定网格区域内的网格不变，且整体静止不动，中间的动态网格区域内的网格随时间不断变化；

6、电场方程组的写入步骤，将电场方程组加入到仿真计算方程组中，该电场方程组为如下所示：

7、

8、式中：为电势(v)，为负电荷密度（c/m3），为电场强度（v/m），为介电常数；

9、粒子带电方程及受力方程的写入步骤，基于所述文本文件进行涂料粉末粒子的设置，将涂料粉末粒子经过针尖放电区后的带电量和在电场中受到的电场力分别作为粒子带电方程和粒子受力方程加入到仿真计算方程组中，所述粒子带电方程和粒子受力方程分别为如下所示：

10、

11、其中：r为粒子半径，εr为相对介电常数，ε0为绝对介电常数，τ为松弛时间，t为时间；

12、流体仿真参数设置步骤，设置流体仿真的参数；

13、初始值和边界值设置步骤，设置流体计算域各个表面单元的边界值和初始值；

14、方程组的耦合求解步骤，先设置车轮不动，对流体计算域中的电场方程组进行求解，然后，使车轮运动并耦合流场方程组来进行求解，最后，联合流体计算域内的电场方程组、流场方程组、粒子带电方程和粒子受力方程进行耦合求解，得到带电涂料粉末粒子在电场、流场作用下的运动轨迹；

15、漆膜厚度转化及输出步骤，记录捕捉到车轮表面的粉末颗粒，将其捕捉到的粉末颗粒数量转化为厚度输出。

16、优选地，所述随机取点的数量为5000个点。

17、优选地，所述动态网格区域内的网格的变化过程通过每隔一定时间间隔自动重新划分网格来实现，所述一定时间间隔根据刚体旋转区域整体旋转的速度来决定。

18、优选地，在所述流体仿真参数设置步骤中，设置气体为可压缩理想气体，其余设置为正常流体计算参数。

19、优选地，在所述漆膜厚度转化及输出步骤中，假设粉末粒子为球体，将各个表面网格单元上捕捉到的粉末粒子的体积和，分别除以各个表面网格单元的面积，得到各个表面网格单元上的漆膜厚度。

20、优选地，在所述车轮旋转运动实现步骤中，使车轮为旋转运动加直线运动。

21、优选地，基于fluent仿真软件，对车轮静电粉末喷涂过程进行仿真，在所述车轮旋转运动实现步骤中，通过fluent仿真软件的用户自定义函数实现车轮旋转运动，在所述电场方程组的写入步骤中，通过fluent仿真软件的用户自定义函数将电场方程组加入到仿真计算方程组中，在所述方程组的耦合求解步骤中，基于fluent仿真软件的求解器对方程组进行耦合求解，在所述漆膜厚度转化及输出步骤中，利用fluent仿真软件的场变量记录捕捉到车轮表面的粉末颗粒。

22、根据本发明的另一方面，提供一种车轮静电粉末喷涂过程的仿真系统，包括：

23、3d几何建模及流体计算域提取和离散化模块，受理粉房、喷枪、支撑台以及车轮的几何尺寸的输入，在三维建模软件中建立粉房及喷枪、车轮、支撑台的3d几何模型，受理对于边界几何体的输入，该边界几何体覆盖整个粉房，外表面尺寸与粉房的外表面尺寸一致，但内部为不含任何空腔的实体，在三维建模软件中通过边界几何体与其他几何体之间布尔相减的操作提取流体计算域，该流体计算域是粉房内的空腔和表面所占的区域，其边界包括喷枪、支撑台以及车轮的外表面、粉房的内表面以及粉房入口和粉房出口，喷枪的外表面包括电针针尖表面、粉末粒子入口面以及喷枪其余表面，受理将该流体计算域分为刚体旋转区域、动态网格区域以及固定网格区域的输入，将刚体旋转区域、动态网格区域以及固定网格区域分别划分为四面体单元以分别对各个区域进行网格离散化处理，所述刚体旋转区域包括车轮表面，所述固定网格区域包括喷枪表面和支撑台表面，所述动态网格区域为刚体旋转区域与固定网格区域之间的区域；

24、代码编写模块，受理python代码的输入，以使得实现在喷枪粉末粒子入口面上随机取一定数量的点，读取这些点的坐标信息，对每个点赋予不同的粒径大小数据，且这些点的总体粒径大小分布符合实际粒径大小分布，对每个点设置初始速度和密度数据，最后输出.inj文本；

25、车轮旋转运动实现模块，受理fluent仿真软件的用户自定义函数的输入，以使得在计算过程中，刚体旋转区域内的网格不变，其整体进行旋转，固定网格区域内的网格不变，且整体静止不动，中间的动态网格区域内的网格随时间不断变化；

26、电场方程组的写入模块，受理代码的输入，通过fluent仿真软件的用户自定义函数将电场方程组加入到仿真计算方程组中，该电场方程组为如下所示：

27、

28、式中：为电势(v)，为负电荷密度（c/m3），为电场强度（v/m），为介电常数；

29、粒子带电方程及受力方程的写入模块，将所述.inj文件导入到fluent仿真软件中，进行涂料粉末粒子的设置，受理代码的输入以使得将涂料粉末粒子经过针尖放电区后的带电量和在电场中受到的电场力分别作为粒子带电方程和粒子受力方程加入到仿真计算方程组中，所述粒子带电方程和粒子受力方程分别为如下所示：

30、

31、其中：r为粒子半径，εr为相对介电常数，ε0为绝对介电常数，τ为松弛时间，t为时间；

32、流体仿真参数设置模块，受理并设置流体仿真的参数；

33、初始值和边界值设置模块，受理并设置流体域内各个表面单元的初始值和边界值；

34、方程组的耦合求解模块，基于fluent仿真软件的求解器对方程组进行耦合求解，先设置车轮不动，基于fluent仿真软件的求解器对流体计算域中的电场方程组进行求解，然后，使车轮运动并耦合流场方程组来进行求解，最后，联合流体计算域内的电场方程组、流场方程组、粒子带电方程和粒子受力方程进行耦合求解，得到带电涂料粉末粒子在电场、流场作用下的运动轨迹；

35、漆膜厚度转化及输出模块，利用fluent仿真软件的场变量记录捕捉到车轮表面的粉末颗粒，将其捕捉到的粉末颗粒数量转化为厚度输出。

36、根据本发明的又一方面，提供一种存储介质，以非瞬时的方式存储有计算机能够读取的程序，所述程序通过由所述计算机执行来使所述计算机作为上述车轮静电粉末喷涂过程的仿真系统发挥功能。