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HPC4EI新项目 通过建模降低车辆喷漆能源成本

  • 时间:2020年10月04日
  • 来源:长顺网
  • 类别:汽车资讯
摘要: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

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。

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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RobertSaye、数学组负责人JamesSethian,以及以及加州大学伯克利分校(UCBerkeley)的数学研究生LukeCorcos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。”

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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。

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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,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大,其目的是优化复杂的制造过程。

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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。”

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全新数学解决方案

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“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。”

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(图片来源:CRD)

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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XinyuLu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。”

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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。

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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。”

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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。

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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。

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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。

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