車體複合塗層及其設計方法
2023-10-08 19:13:14 1
車體複合塗層及其設計方法
【專利摘要】本發明涉及軌道車輛塗層設計【技術領域】，具體公開了一種車體複合塗層及其設計方法，所述車體複合塗層包括依次排布的聚氨酯面漆、聚氨酯中間層、聚酯膩子和微弧氧化陶瓷層底漆，所述微弧氧化陶瓷層底漆塗在車體的鋁基體上，所述設計方法包括構建物理模型、選擇最優厚度比、製備車體複合塗層和衝蝕試驗。本發明的車體複合塗層有效地增加了整個塗層體系與鋁合金基體之間的結合力，有效減少了塗層在運行時衝蝕過程中塗層整塊脫落的可能性，有效地提高了車體複合塗層的抗衝蝕性能。
【專利說明】車體複合塗層及其設計方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及軌道車輛塗層設計【技術領域】，尤其涉及一種能夠提高動車組車頭抗高 速微細粒子衝蝕能力的車體複合塗層及其設計方法。
【背景技術】
[0002] 動車組車頭表面受微細粒子高速衝擊將產生衝蝕及粒子侵入，兩者都將使車體表 面粗糙化，既增加軌道車輛行駛的空氣摩擦阻力，又增強車體表面的吸附力，使得生物（如 蚊蟲等）的吸附變得更容易，造成軌道車輛的表面材料壽命降低，且難以清洗。
[0003] 現有技術中的複合塗層為聚氨酯面漆、聚氨酯中間層、聚酯膩子和環氧樹脂底漆 塗層體系，在受高速微細粒子衝擊時易表層破壞及塗層整體脫落。為此，需要一種新的塗層 體系以提高其抗衝蝕性能。
【發明內容】
[0004] (一）要解決的技術問題
[0005] 本發明的目的是提供一種車體複合塗層及其設計方法，以克服現有技術中的複合 塗層抗衝蝕性能差的問題。
[0006] (二）技術方案
[0007] 為了解決上述技術問題，本發明提供了一種車體複合塗層，包括依次排布的聚氨 酯面漆、聚氨酯中間層、聚酯膩子和微弧氧化陶瓷層底漆，所述微弧氧化陶瓷層底漆塗在車 體的鋁基體上。
[0008] 優選地，所述聚氨酯面漆的厚度為95 i! m?105 i! m，所述聚氨酯面漆與所述聚氨 酯中間層的厚度比為1. 5:1?2:1，所述聚酯膩子的厚度為I ii m?2 ii m，所述微弧氧化陶 瓷層底漆的厚度為55 ii m?65 ii m。
[0009] 優選地，所述微弧氧化陶瓷層通過噴鍍式微弧氧化的方式塗在車體的鋁基體上。
[0010] 本發明還提供了一種所述的車體複合塗層的設計方法，包括以下步驟：
[0011] SI.以所述車體複合塗層構建物理模型，計算不同厚度比的所述車體複合塗層在 衝擊作用下的動力學響應，以表層所述聚氨酯面漆的單元移除量以及車體的鋁基體與所述 微弧氧化陶瓷層底漆的剝離作用力為標準判斷所述車體複合塗層的抗衝蝕能力；
[0012] S2.根據所述計算的結果選出所述車體複合塗層的最優厚度比；
[0013] S3.按照所述最優厚度比在車體的鋁基體上製備所述車體複合塗層；
[0014] S4.對所述車體複合塗層進行衝蝕試驗，對比所述車體複合塗層與原有複合塗層 的抗衝擊性能，以驗證所述車體複合塗層的所述最優厚度比。
[0015] 優選地，所述物理模型通過有限元軟體Ansys/LS-DYNA構建。
[0016] 優選地，所述物理模型中的衝擊粒子選用剛性小球，所述聚氨酯面漆選用 Johnson-Cook本構模型，所述聚氨酯中間層、聚酯膩子和微弧氧化陶瓷層底漆選用彈塑性 本構模型。
[0017] 優選地，所述衝擊粒子為直徑95um?105um的小球，速度為90m/s?110m/s，衝蝕 角度選為25°?35°。
[0018] 優選地，所述聚氨酯面漆的單元移除量通過累積損壞法則計算得到，對計算內的 每個時間步計算所有單元的塑性應變，當某個單元在計算中塑性應變達到破壞臨界值時該 單元移除，計算完成後統計單元移除量。
[0019] 優選地，車體的鋁基體與所述微弧氧化陶瓷層底漆的剝離作用力為計算時鋁基體 與所述微弧氧化陶瓷層底漆界面拉應力與剪應力的合力，以此合力來表徵衝擊過程中的剝 尚作用力。
[0020] 優選地，採用噴砂式衝蝕磨損試驗系統對所述車體複合塗層進行衝蝕試驗，測量 所述車體複合塗層的失重，觀察所述車體複合塗層的表面形貌和界面損傷情況。
[0021] (三）有益效果
[0022] 本發明的車體複合塗層以聚氨酯面漆、聚氨酯中間層、聚酯膩子和環氧樹脂底漆 塗層體系為基礎，將環氧樹脂底漆跟換成微弧氧化陶瓷層底漆，有效地增加了整個塗層體 系與鋁合金基體之間的結合力，有效減少了塗層在運行時衝蝕過程中塗層整塊脫落的可能 性，同時，將車體複合塗層各部分的厚度按照最優厚度比進行匹配，有效地提高了車體複合 塗層的抗衝蝕性能。
【具體實施方式】
[0023] 下面結合實施例對本發明的實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用於說明本 發明，但不能用來限制本發明的範圍。
[0024] 本實施例的車體複合塗層包括：依次（從外向內）排布的聚氨酯面漆、聚氨酯中間 層、聚酯膩子和微弧氧化陶瓷層底漆，所述微弧氧化陶瓷層底漆塗在車體的鋁基體上。
[0025] 其中，採用噴鍍式微弧氧化方法在車頭表面生長所述微弧氧化陶瓷層底漆，噴鍍 式微弧氧化方法適用於大型工件的表面陶瓷化操作，能滿足動車組車頭陶瓷底漆的噴鍍要 求，根據實驗測得在5083鋁合金基體製備的陶瓷塗層其結合力高達100N，遠大於環氧樹脂 底漆與基體之間的結合強度，另外，通過噴鍍工藝參數的調節可以改變陶瓷塗層的表面形 貌及表面粗糙度，能顯著提高聚酯膩子在其表面的附著力。這種採用噴鍍式微弧氧化方法 生長陶瓷層，可以有效地解決了車頭體積大難以加工的問題。
[0026] 所述聚氨酯面漆的厚度為95 ii m?105 ii m，所述聚氨酯面漆與所述聚氨酯中間層 的厚度比為1.5:1?2:1，所述聚酯膩子的厚度為Iiim?2iim，所述微弧氧化陶瓷層底漆 的厚度為55 y m?65 y m。
[0027] 本實施例的車體複合塗層的設計方法包括以下步驟：
[0028] SI.以所述車體複合塗層構建物理模型，計算不同厚度比的所述車體複合塗層在 衝擊作用下的動力學響應，以表層所述聚氨酯面漆的單元移除量以及車體的鋁基體與所 述微弧氧化陶瓷層底漆的剝離作用力為標準判斷所述車體複合塗層的抗衝蝕能力。
[0029] 所述物理模型由粒子以及聚氨酯面漆、聚氨酯中間層、聚酯膩子和微弧氧化陶瓷 層底漆的塗層體系兩部分組成。
[0030] 所述物理模型通過有限元軟體Ansys/LS-DYNA構建，所述物理模型中的衝擊粒子 選用剛性材料（在計算衝擊時不考慮小球的變形），具體選用剛性小球，所述聚氨酯面漆選 優柔性材料，具體選用Johnson-Cook本構模型，所述聚氨酯中間層、聚酯膩子和微弧氧化 陶瓷層底漆選用彈塑性本構模型。
[0031] 所述衝擊粒子為直徑95um?105um的小球，速度為90m/s?110m/s，衝蝕角度選 為25°?35° ;本實施例中，優選地，粒子為直徑IOOum的小球（由北方沙塵中沙粒統計數 據顯示85%以上的沙粒粒徑在74u-250um之間），速度為100m/s (由動車速度近似），衝蝕 角度選為30° ;塗層體系為60um聚氨酯面漆+40um聚氨酯中間層+3mm聚酯膩子+60um微 弧氧化陶瓷層底漆。
[0032] 所述的物理模型，粒子以lOOm/s衝擊塗層，不考慮粒子的變形，粒子的動能使得 塗層產生變形（衝擊動力學理論），根據選用的材料本構模型計算塗層的應力，據此計算出 塗層的應力及應變分布。
[0033] 所述的計算為顯示動力學計算，模型被離散成微小的有限單元，對計算內的每一 個時間步計算所有單元的應力和應變，最終得到整個塗層體系的應力應變分布狀態。
[0034] 所述聚氨酯面漆的單元移除量通過累積損壞法則計算得到，對計算內的每個時間 步計算所有單元的塑性應變，當某個單元在計算中塑性應變達到破壞臨界值時該單元移 除，計算完成後統計單元移除量。
[0035] 車體的鋁基體與所述微弧氧化陶瓷層底漆的剝離作用力為計算時鋁基體與所述 微弧氧化陶瓷層底漆界面拉應力與剪應力的合力，以此合力來表徵衝擊過程中的剝離作用 力。
[0036] 計算結果顯示：單元失效集中在聚氨酯面漆，聚氨酯面漆和聚氨酯中間層的厚度 比例在1. 5:1到2:1之間效果最佳；聚酯膩子厚度減半，控制在1-2_，對表層及底漆的影 響與原有塗層體系相比差異在10%以內；微弧氧化陶瓷層厚度在60um，衝擊過程中的剝離 作用力較小，在KPa量級以內。
[0037] S2.根據上述的計算的結果，從中選出並確定所述車體複合塗層的最優厚度比。
[0038] S3.按照所述最優厚度比在車體的鋁基體上製備所述車體複合塗層。
[0039] S4.對所述車體複合塗層進行衝蝕試驗，對比所述車體複合塗層與原有複合塗層 的抗衝擊性能，以驗證所述車體複合塗層的所述最優厚度比。
[0040] 採用噴砂式衝蝕磨損試驗系統對所述車體複合塗層進行衝蝕試驗,測量所述車體 複合塗層的失重，觀察所述車體複合塗層的表面形貌和界面損傷情況。
[0041] 所述的衝蝕試驗：粒子採用150目的SiO2沙子，噴射氣壓控制在190KPa左右（對 應的粒子速度為l〇〇m/S)，衝蝕角度為30°，衝蝕時間為30s。試驗結束後用精度為0. Img 的精密天平測量塗層的失重，利用掃描電子顯微鏡觀察表面形貌及塗層界面損傷情況。
[0042] 試驗結果顯示：聚酯膩子厚度減小到1_2_，塗層的衝蝕磨損率未明顯變化；將聚 氨酯面漆和聚氨酯中間層的厚度比例在1. 5:1到2:1之間，微弧氧化陶瓷層厚度在60um左 右，塗層的抗衝蝕磨損性能明顯提高。新型塗層未出現整塊脫落現象，說明陶瓷層底漆的作 用明顯；原有塗層體系衝蝕磨損率測定數值為0. 291_3/g，新型塗層體系衝蝕磨損率測定 數值為〇.〇75mm3/g左右，抗衝蝕能力提高3倍以上。
[0043] 其中，採用有限元軟體Ansys/LS-DYNA建立聚氨酯面漆/聚氨酯中間層/聚酯膩 子/微弧氧化陶瓷層/鋁基體模型，計算不同厚度配比的複合塗層在衝擊作用下的應力應 變分布狀態，重點考察在表層表面單元應力及塑性應變累積、微弧氧化陶瓷層與鋁基體間 拉應力及剪應力。實現步驟如下：1)塗層單元移除的塑性應變臨界值，根據現有聚氨酯塗 層分析，模擬計算中的定為〇. 2 ;2)根據前期計算統計塗層單元塑性應變達到0. 2所需的粒 子數目；3)根據衝蝕體積磨損率計算公式= 計算其衝蝕體積磨損率。其中，A V ..mP 為塗層單元移除體積，由塗層移除單元個數及單元長度計算得到，mp為粒子質量，由粒子數 量及單個粒子質量計算得到。結果顯示：聚氨酯面漆單元的塑性應變累積不僅與其厚度有 關，還與中漆厚度相關，在聚氨酯面漆與中間層厚度比例在1.5:1到2:1之間時，粒子衝擊 對面漆亞表層的損傷數值達到最小，相應的Ev也最小；聚酯膩子厚度在l-2mm時，粒子衝擊 造成應力波傳遞對底漆及基體的影響以在KPa量級以內。
[0044] 在實際應用中，上述設計方法的具體實施例可以如下：
[0045] 實施例1
[0046] 打開Ansys軟體中的顯式動力學分析模塊LS-DYNA，進行複合塗層模型建立。 其中，聚氨酯面漆、聚氨酯中間層、聚酯膩子、微弧氧化陶瓷層的厚度分別為60um、40um、 3mm、60um。單元選擇為solidl64實體單元，材料模型選擇為Gruneisen狀態方程下的 Johnson-Cook模型；粒子選用Si02剛體模型，直徑為IOOum的小球，入射速度設置為初始 速度lOOm/s，入射角度選擇為300 (接近動車組車頭傾角）；粒子與塗層之間設置為侵蝕接 觸關係，塗層各層之間設置為連接/失效關係，並輸入兩個方向的失效臨界值。計算時長為 lOus，開始計算，並在計算結束後查看表層表面拉應力、中間層上下兩個界面的剪應力，查 看塗層變形情況及是否有單元與單元之間的脫離與單元移除。在車頭材料上製備聚氨酯面 漆、聚氨酯中間層、聚酯膩子、微弧氧化陶瓷層的厚度分別為60um、40um、3mm、60um的塗層， 採用自行研製的噴砂式衝蝕磨損試驗系統進行試驗，測量塗層的失重及觀察表面形貌及塗 層界面損傷情況。
[0047] 實施例2
[0048] 實施例2與實施例例1的不同之處在於，將聚酯膩子的厚度變為Imm和2mm，分別 進行2次計算，並在計算結束後查看表層表面拉應力、中間層上下兩個界面的剪應力，查看 塗層變形情況及是否有單元與單元之間的脫離與單元移除，並與例1結果進行比較。將聚 酯膩子的厚度變為Imm和2mm，分別製備複合塗層，採用自行研製的噴砂式衝蝕磨損試驗系 統進行試驗，測量塗層的失重及觀察表面形貌及塗層界面損傷情況。
[0049] 實施例3
[0050] 實施例3與實施例1的不同之處在於，將聚酯膩子層的厚度變1mm，調整聚氨酯面 漆、聚氨酯中間層的厚度比例，分別計算，並在計算結束後查看表層表面拉應力、中間層上 下兩個界面的剪應力，查看塗層變形情況及是否有單元與單元之間的脫離與單元移除。將 聚酯膩子層的厚度變1mm，調整聚氨酯面漆、聚氨酯中間層的厚度比例，分別製備複合塗層， 採用自行研製的噴砂式衝蝕磨損試驗系統進行試驗，測量塗層的失重及觀察表面形貌及塗 層界面損傷情況。
[0051] 本發明的車體複合塗層以聚氨酯面漆、聚氨酯中間層、聚酯膩子和環氧樹脂底漆 塗層體系為基礎，將環氧樹脂底漆跟換成微弧氧化陶瓷層底漆，有效地增加了整個塗層體 系與鋁合金基體之間的結合力，有效減少了塗層在運行時衝蝕過程中塗層整塊脫落的可能 性，同時，將車體複合塗層各部分的厚度按照最優厚度比進行匹配，有效地提高了車體複合 塗層的抗衝蝕性能。
[0052] 本發明的實施例是為了示例和描述起見而給出的，而並不是無遺漏的或者將本發 明限於所公開的形式。很多修改和變化對於本領域的普通技術人員而言是顯而易見的。選 擇和描述實施例是為了更好說明本發明的原理和實際應用，並且使本領域的普通技術人員 能夠理解本發明從而設計適於特定用途的帶有各種修改的各種實施例。
【權利要求】
1. 一種車體複合塗層，其特徵在於，包括依次排布的聚氨酯面漆、聚氨酯中間層、聚酯 膩子和微弧氧化陶瓷層底漆，所述微弧氧化陶瓷層底漆塗在車體的鋁基體上。
2. 根據權利要求1所述的車體複合塗層，其特徵在於，所述聚氨酯面漆的厚度為 95 ii m?105 ii m，所述聚氨酯面漆與所述聚氨酯中間層的厚度比為1. 5:1?2:1，所述聚酯 膩子的厚度為I U m?2 ii m，所述微弧氧化陶瓷層底漆的厚度為55 ii m?65 ii m。
3. 根據權利要求1所述的車體複合塗層，其特徵在於，所述微弧氧化陶瓷層通過噴鍍 式微弧氧化的方式塗在車體的鋁基體上。
4. 一種權利要求1-3中任何一項所述的車體複合塗層的設計方法，其特徵在於，包括 以下步驟：
51. 以所述車體複合塗層構建物理模型，計算不同厚度比的所述車體複合塗層在衝擊 作用下的動力學響應，以表層所述聚氨酯面漆的單元移除量以及車體的鋁基體與所述微弧 氧化陶瓷層底漆的剝離作用力為標準判斷所述車體複合塗層的抗衝蝕能力；
52. 根據所述計算的結果選出所述車體複合塗層的最優厚度比；
53. 按照所述最優厚度比在車體的鋁基體上製備所述車體複合塗層；
54. 對所述車體複合塗層進行衝蝕試驗，對比所述車體複合塗層與原有複合塗層的抗 衝擊性能，以驗證所述車體複合塗層的所述最優厚度比。
5. 根據權利要求4所述的設計方法，其特徵在於，所述物理模型通過有限元軟體 Ansys/LS-DYNA 構建。
6. 根據權利要求5所述的設計方法，其特徵在於，所述物理模型中的衝擊粒子選用剛 性小球，所述聚氨酯面漆選用Johnson-Cook本構模型，所述聚氨酯中間層、聚酯膩子和微 弧氧化陶瓷層底漆選用彈塑性本構模型。
7. 根據權利要求6所述的設計方法，其特徵在於，所述衝擊粒子為直徑95um?105um 的小球，速度為90m/s?110m/s，衝蝕角度選為25°?35°。
8. 根據權利要求6所述的設計方法，其特徵在於，所述聚氨酯面漆的單元移除量通過 累積損壞法則計算得到，對計算內的每個時間步計算所有單元的塑性應變，當某個單元在 計算中塑性應變達到破壞臨界值時該單元移除，計算完成後統計單元移除量。
9. 根據權利要求6所述的設計方法，其特徵在於，車體的鋁基體與所述微弧氧化陶瓷 層底漆的剝離作用力為計算時鋁基體與所述微弧氧化陶瓷層底漆界面拉應力與剪應力的 合力，以此合力來表徵衝擊過程中的剝離作用力。
10. 根據權利要求4所述的設計方法，其特徵在於，採用噴砂式衝蝕磨損試驗系統對所 述車體複合塗層進行衝蝕試驗，測量所述車體複合塗層的失重，觀察所述車體複合塗層的 表面形貌和界面損傷情況。
【文檔編號】B32B9/04GK104325733SQ201410502593
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年9月26日 優先權日:2014年9月26日
【發明者】張世欣, 王小成, 武傳田, 張佔嶺, 李世濤, 李文, 孟立春, 劉韶慶, 鄧小軍 申請人:南車青島四方機車車輛股份有限公司