HPC4EI新项目：通过建模降低车辆喷漆能源成本陶瓷模具

HPC4EI新项目：通过建模降低车辆喷漆能源成本

盖世汽车讯 对汽车制造厂家来说，给汽车涂漆是一个复杂且耗能的过程，平均占工厂总能源成本的50- 70%。多年来，喷涂行业一直致力于探索能源和环境友好型改良措施，优化汽车涂装工艺，如减少漆层及固化步骤，降低固化过程的温度，并寻找新涂层基质。

（图片来源：CRD）

据外媒报道，为了实现这一目标，劳伦斯伯克利国家实验室计算研究部门(CRD)数学组的研究人员，与全球最大的涂料制造商之一PPG公司，就高性能能源创新计算项目(HPC4EI)达成合作。该项目旨在将高等数学与高性能梳妆台计算资源结合在一起，对涂层干燥过程进行建模，指导开发汽车产业新节能涂层系统。

这不是两家机构第一次合作。2016年，在HPC4Mfg项目(现为HPC4EI的一部分)中，伯克利实验室和PPG合作开发数值框架，并利用该框架来研究和改进旋转钟雾化，这是汽车涂装工艺发展进程的另一关键步骤。

在新项目中，研究人员专注于复杂的物理建模，以在涂料干燥和固化过程中影响涂料的流动和流平，其目的是寻找减少过程能耗的方法。该项目共同负责人、CRD数学组成员Robert Saye、数学组负责人James Sethian，以及以及加州大学伯克利分校（UC Berkeley）的数学研究生Luke Corcos表示：“我们的CRD团队开发了新的算法，以解决涉及流体界面动力学的问题，例如我们与PPG早期合作中出现的雾化问题，这些问题相当具有挑战性。我们现在和同一个PPG团队合作，但研究的物理类型却截然不同。我们关注的不再是喷漆了。事实上，‘看着油漆变干’比听起来要复杂得多。”

全新数学解决方案

油漆需要经过流动和流平过程，才能逐渐形成光滑的膜，提供良好的外观和保护屏障。但是，受到诸多变量影响，如何获得令人满意的最终外观，是开发节能涂层过程中最困难的挑战之一。考虑到这些挑战，本项目有两个目标：1）寻找新方法，降低油漆凝固所需的温度，从而减少烘箱消耗的能量；2）研究“共固化”的可能性，即一次涂两层，然后同时沉降。

“通常情况下，当你想出一个新的涂漆方案，比如采用不同的颜料、色彩和构图，除了诉诸烤箱，改变各种参数进行尝试，没有别的好办法。这其中要试很多次，会产生很多错误，而且很耗时间和精力。”Saye表示，“本项目的主要目标之一是，开发数学模型及相应的算法模拟，以快速、更普遍地做出预测。”

此项研究有望加速推出新型多层涂层系统，实现更低温度烘烤协同固化，为汽车制造商减少高达30%的油漆线能耗。PPG开发工程师Xinyu Lu指出，除了通过减少固化步骤和加快工艺时间来节省能源外，“我们的研究将为未来的水性涂料和轻型汽车基板提供基础。”

这项工作将利用若干数值方法，如高度精确的流动求解器和界面跟踪技术，以及Saye和同事开发的数学框架的组成部分，作为PPG初始合作的部分内容。 但是，也需要团队开发新的算法和数学。

Sethian称：“解决相互关联的物理问题，包括界面动力学、流体力学、加热、固化、杂质、马朗戈尼应力和蒸发，是巨大的挑战。”

Saye补充道，部分乐趣在于找到正确的数学算法，使框架能够处理复杂的3D模拟，并在超级计算机上运行。

Saye表示：“我们的目标是开发能够模拟涂层流动的计算模型，在这种模型中，有一到两层溶质-溶剂混合物薄膜,打开不同的‘旋钮’模型，就可以模拟随着烤箱温度的变化，液体是如何流动、蒸发和干燥的。这个项目结合了我们最近开发的部分执卷线器行技术和部分全新方法研究。实施新算法并利用高性能计算的优势，也将是关键。”

最初项目期限是18个月，如果成功，可再延长12个月。研究人员表示，如果合作成功，印刷合金最终可以使用和开发很多新技术，包括可用于不同模拟过程的计算模型和全新数值方法。而且，对于应对其它工业和工程挑战，此次开发的数学和数值技术的应用潜力巨抹光机大，其目的是优化复杂的制造过程。

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