汽车内饰材料中挥发性有机物的非等温散发仿真计算方法

技术领域

本发明属于有机物分析领域，尤其是涉及一种汽车内饰材料中挥发性有机物的非等温散发仿真计算方法。

背景技术

座椅、仪表板、地毯、顶棚、密封条等汽车内饰，一般由塑料、皮革、胶粘剂等石化产品制成，内含一定量的苯、甲苯、乙苯、二甲苯、苯乙烯、甲醛、乙醛、丙烯醛等挥发性有机物(VOC)成分，将在消费者用车期间持续散发。通过降低装车前内饰所含VOC的浓度，可有效改善车内空气质量，保障驾乘人员身体健康。

汽车内饰材料内含的VOC会在浓度梯度的驱动下向周围空气中散发，该过程受环境温度的影响较大且比较复杂。一方面，环境温度越高，VOC在材料中和空气中的扩散系数越大，在材料—空气界面处的分配系数越小，越容易从材料内部扩散到空气中，从而使材料内含的VOC浓度越快地减小；另一方面，环境温度越高，材料VOC的分子动能越大，从而使材料内含的VOC的可散发浓度不降反增。针对上述非等温条件下VOC的复杂散发情况，目前尚没有符合气体散发机理的仿真计算方法，严重影响了内饰材料中VOC浓度目标设定、内饰材料仓储温度控制方案制定等工作的开展。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种汽车内饰材料中挥发性有机物的非等温散发仿真计算方法，以解决内饰材料中VOC浓度目标较难设定、内饰材料仓储温度控制方案较难制定的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

汽车内饰材料中挥发性有机物的非等温散发仿真计算方法，具体方法如下：

S1、设定材料VOC散发过程中的逐时温度C(t)，确定仿真温度范围，进行温度段的划分，计算各温度段的材料VOC初始可散发浓度，并设定各温度段材料VOC初始可散发浓度潜能；

S2、计算仿真温度范围内，各逐时温度下的材料VOC扩散系数Dm(C(t))、各逐时温度下的材料VOC分配系数K(C(t))；

S3、计算仿真温度范围，各逐时温度下的空气中VOC扩散系数Da(C(t))；

S4、计算材料VOC仿真散发初始时刻温度C(t0)下，材料VOC初始可散发浓度Cm(C(t0))；

S5、通过有限元分析构建材料VOC散发几何仿真模型，设置材料网格、材料—空气界面处网格、空气网格，根据Cm(C(t0))、Dm(C(t0))、K(C(t0))、Da(C(t0))，并结合菲克第二扩散定律及亨利定律，对每种类型的网格进行网格划分并设定网格节点参数，设定仿真散发的总时长t_total和仿真计算的时间步进t_step；

S6、仿真计算得到散发了一个时间步进后各网格节点上材料VOC可散发浓度Cm及空气VOC散发浓度Ca；

S7、根据散发了一个时间步进后的温度C(t-t_step)及小于等于该温度C(t-t_step)的各温度段的初始可散发浓度潜能，将各网格节点上的材料VOC可散发浓度Cm按各温度段初始可散发浓度潜能Cm0p_Temp的相对比例分配，并赋值给温度小于等于C(t-t_step)的各温度段初始可散发浓度Cm0v_Temp；

S8、根据步骤S7获得散发了一个时间步进后的各温度段初始可散发浓度Cm0v_Temp，计算下一个时步开始时的温度C(t)，计算小于等于该温度C(t)的各温度段的初始可散发浓度的加和，并把加和的结果更新给各网格节点上的材料VOC可散发浓度Cm；

S9、判断当前的仿真时长t是否小于仿真总时长t_total，若是，则更新材料VOC散发几何仿真模型网格节点Dm(C(t))、K(C(t))、Da(C(t))后，重复步骤S6-S8；若否，则仿真计算结束，输出各网格节点上的各温度段材料VOC逐时可散发浓度Cm0v_Temp(t)、材料VOC逐时可散发浓度Cm(t)及空气VOC逐时散发浓度Ca(t)，计算材料网格中各网格节点逐时可散发浓度平均值及空气网格中各网格节点逐时散发浓度平均值。

进一步的，步骤S1中，确定仿真温度范围，进行温度段的划分，计算各温度段的材料VOC初始可散发浓度，并设定各温度段材料VOC初始可散发浓度潜能，具体方法如下：

S11、开展材料VOC散发测试，得到25℃和65℃恒温条件下的材料VOC散发参数，包括25℃条件下的初始可散发浓度Cm0_25mg/m

S12、执行温度效应方程参数拟合，根据25℃和65℃恒温条件下的材料VOC散发参数得到用于计算任意温度下的材料VOC初始可散发浓度的Cm0_a和Cm0_b、材料内VOC扩散系数的Dm_a和Dm_b、材料—空气界面处的VOC分配系数的K_a和K_b；

其中：

Cm0_b＝-2518.1×(log(Cm0_65/Cm0_25)+0.5×0.1259)

Cm0_a＝Cm0_25/(298.15^(-0.5)×exp(Cm0_b/298.15))

Dm_b＝-2518.1×(log(Dm_65/Dm_25)-1.25×0.1259)

Dm_a＝Dm_25/(298.15^(1.25)×exp(Dm_b/298.15))

K_b＝-2518.1×(log(K_65/K_25)-0.5×0.1259)

K_a＝K_25/(298.15^(0.5)×exp(K_b/298.15))；

S13、设定仿真温度范围为(25～65)℃，进行温度段的划分，具体方法为划分(25～65)℃范围内每1℃划分一个温度段，Temp＝25,26,…,65；

S14、根据材料VOC初始可散发浓度参数，计算各温度段的材料VOC初始可散发浓度，并设定各温度段材料VOC初始可散发浓度潜能。

进一步的，步骤S14中，根据材料VOC初始可散发浓度参数，计算各温度段的材料VOC初始可散发浓度，具体计算方法：

根据Cm0_a和Cm0_b，计算得到(25～65)℃范围内各温度段的初始可散发浓度Cm0v_25mg/m

设定各温度段材料VOC初始可散发浓度潜能，具体方法：

设定(25～65)℃范围内各温度段材料VOC初始可散发浓度潜能Cm0p_25mg/m

Cm0p_Temp＝Cm0v_Temp，Temp＝25,26,…,65。

进一步的，步骤S2中，计算仿真温度范围内，各逐时温度下的材料VOC扩散系数Dm(C(t))及各逐时温度下的材料VOC分配系数K(C(t))，具体计算公式：

Dm(C(t))＝Dm_a×(C(t)+273.15)^1.25×exp(Dm_b/(C(t)+273.15))

K(C(t))＝K_a×(C(t)+273.15)^0.5×exp(K_b/(C(t)+273.15))；

步骤S3中，计算各逐时温度下的空气中VOC扩散系数Da(C(t))，具体方法为，查阅文献获得材料VOC在25℃空气中的扩散系数Da_25，

Da(C(t))＝Da_25×((C(t)+273.15)/298.15)^1.81。

进一步的，步骤S4中，计算材料VOC仿真散发初始时刻温度C(t0)下，材料VOC初始可散发浓度Cm(C(t0))，具体计算公式：

Cm(C(t0))＝Cm0_a×(C(t0)+273.15)^-0.5×exp(Cm0_b/(C(t0)+273.15))。

进一步的，步骤S5中，通过有限元分析构建材料VOC散发几何仿真模型，设置材料网格、材料—空气界面处网格、空气网格，根据Cm(C(t0))、Dm(C(t0))、K(C(t0))、Da(C(t0))，并结合菲克第二扩散定律及亨利定律，对每种类型的网格进行网格划分并设定网格节点参数，设定仿真散发的总时长t_total s和仿真计算的时间步进t_step s，具体方法：

S51、在有限元分析软件中构建材料VOC散发几何模型，设置材料网格、材料—空气界面处网格、空气网格，对每种类型的网格进行网格划分；

S52、在各网格节点上设定相关参数，包括：在材料网格节点上设定仿真散发初始t0时刻的初始可散发浓度Cm(C(t0))和扩散系数Dm(C(t0))；在材料—空气界面处网格节点上设定分配系数K(C(t0))；在空气网格节点上设定初始浓度Ca＝0和扩散系数Da(C(t0))；

S53、设定仿真散发的总时长t_total s和仿真计算的时间步进t_step s；

S54、在材料和空气网格节点上应用菲克第二扩散定律，在材料—空气界面处网格节点上应用亨利定律。

进一步的，步骤S7中，根据散发了一个时间步进后的温度C(t-t_step)及小于等于该温度C(t-t_step)的各温度段的初始可散发浓度潜能，将各网格节点上的材料VOC可散发浓度Cm按各温度段初始可散发浓度潜能Cm0p_Temp的相对比例分配，并赋值给温度小于等于C(t-t_step)的各温度段初始可散发浓度Cm0v_Temp，具体公式：

Cm0v_Temp’＝if(C(t-t_step)<＝Temp’-1,Cm0v_Temp’，

Temp’＝26,27,…,65，Temp＝Temp’:65；

Temp＝Temp’:65的含义是Temp从Temp’至65以1为步长依次取值；

步骤S8中，根据步骤S7获得散发了一个时间步进后的各温度段初始可散发浓度Cm0v_Temp，计算下一个时步开始时的温度C(t)，计算小于等于该温度C(t)的各温度段的初始可散发浓度的加和，并把加和的结果更新给各网格节点上的材料VOC可散发浓度Cm，具体公式为，

进一步的，步骤S9中，计算材料网格中各网格节点逐时浓度平均值及空气网格中各网格节点逐时散发浓度平均值，具体方法如下：

S91、根据各温度段材料VOC逐时可散发浓度Cm0v_Temp(t)、材料VOC逐时可散发浓度Cm(t)，计算材料网格中各网格节点逐时浓度平均值，获得材料VOC在逐时变化的温度条件C(t)下的逐时可散发浓度和仿真温度范围内各温度段的逐时可散发浓度，通过调节温度条件，获得材料VOC可散发浓度的管控目标值；

S92、根据空气VOC逐时散发浓度Ca(t)，计算空气网格中各网格节点逐时散发浓度平均值，获得材料VOC在变化的温度条件下经一定时间散发到周围空气中的空气VOC逐时浓度值。

进一步的，步骤S91中，计算材料网格中各网格节点逐时浓度平均值，获得材料VOC在逐时变化的温度条件C(t)下的逐时可散发浓度平均值和仿真温度范围内各温度段的逐时可散发浓度平均值，具体方法：

记材料网格节点数为x，各网格节点命名分别为n1、n2、……、nx；

计算材料各网格节点上的逐时浓度的平均值，设定Cm_avg(t)为材料VOC在逐时变化的温度条件C(t)下的逐时可散发浓度平均值，具体公式：

设定Cm0v_25_avg(t)、Cm0v_26_avg(t)、……、Cm0v_65_avg(t)依次表示(25～65)℃范围内各温度段的逐时可散发浓度平均值，具体计算公式为，

Temp＝25,26,…,65，t＝0:t_step:t_total，

t＝0:t_step:t_total含义是时间变量t从0至t_total以t_step为步长依次取值。

进一步的，步骤S92中，计算空气网格中各网格节点逐时散发浓度平均值，获得材料VOC在变化的温度条件下经一定时间散发到周围空气中的空气VOC逐时浓度值，具体方法：

记空气网格节点数为y，各网格节点分别为a1、a2、……、ay；

设定空气各网格节点上的逐时浓度的平均值Ca_avg(t)，具体计算公式为，

Ca_j(t)是t时刻在空气网格的j网格节点上读取的空气VOC浓度值，j表示为网格节点a1、a2、……、ay中的一个网格节点。

相对于现有技术，本发明所述的汽车内饰材料中挥发性有机物的非等温散发仿真计算方法，具有以下有益效果：

(1)本发明所述的汽车内饰材料中挥发性有机物的非等温散发仿真计算方法，采用有限元分析仿真计算方法符合VOC气体在固体材料中的散发机理，因此仿真结果的可靠性较高，进而使基于仿真结果设定的内饰材料中VOC浓度的管控目标值及其配套的仓储温度控制方案的可靠性较高。

(2)本发明所述的汽车内饰材料中挥发性有机物的非等温散发仿真计算方法，由于固体材料中的VOC一般认为有两种存在状态，一种状态是存在于固体内部微孔中的空气相VOC所处于的可散发状态；另一种状态是吸附结合在固体上的吸附相VOC所处于的不可散发状态；不可散发状态可以向可散发状态转化，但需要克服一个吸附能量势垒，通过升高温度增加吸附相VOC的分子动能，即可克服这个能量势垒，本申请计算各温度段材料VOC初始可散发浓度，将各温度段的材料VOC初始可散发浓度作为VOC容器，体现了这两种状态在非等温散发条件下的互相转化；

(3)本发明所述的汽车内饰材料中挥发性有机物的非等温散发仿真计算方法，由于不可散发状态的VOC与可散发状态的VOC相互转化所涉及到的吸附能量势垒是与固体材料属性及VOC属性有关的特征常数，不随VOC浓度的变化而改变，该常数型能量势垒会直接影响可散发状态的VOC向各温度段的VOC容器中分配时的分配比例，本申请中根据仿真时步开始时的温度C(t-t_step)和小于等于该温度C(t-t_step)的各温度段的初始可散发浓度潜能，将材料各网格节点上的浓度Cm按各初始可散发浓度潜能的相对比例分配，并对应赋值给温度小于等于C(t-t_step)的各温度段初始可散发浓度的绝对大小，通过将各温度段的初始可散发浓度潜能作为分配比例的确定因子，提高仿真结果的准确性。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的汽车内饰材料中挥发性有机物的非等温散发仿真计算方法示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

1)开展材料VOC散发测试，得到25℃和65℃恒温条件下的材料VOC关键散发参数，包括25℃条件下的初始可散发浓度Cm0_25mg/m

2)执行温度效应方程参数拟合，得到用于计算任意温度下的材料内VOC初始可散发浓度的Cm0_a和Cm0_b，得到用于计算任意温度下的材料内VOC扩散系数的Dm_a和Dm_b，得到用于计算任意温度下的材料—空气界面处的VOC分配系数的K_a和K_b。其中：

Cm0_b＝-2518.1×(log(Cm0_65/Cm0_25)+0.5×0.1259) (式1)

Cm0_a＝Cm0_25/(298.15^(-0.5)×exp(Cm0_b/298.15)) (式2)

Dm_b＝-2518.1×(log(Dm_65/Dm_25)-1.25×0.1259) (式3)

Dm_a＝Dm_25/(298.15^(1.25)×exp(Dm_b/298.15)) (式4)

K_b＝-2518.1×(log(K_65/K_25)-0.5×0.1259) (式5)

K_a＝K_25/(298.15^(0.5)×exp(K_b/298.15)) (式6)

3)根据Cm0_a和Cm0_b，计算得到(25～65)℃范围内各温度段的初始可散发浓度Cm0v_25mg/m

Cm0v_25＝Cm0_a×(25+273.15)^-0.5×exp(Cm0_b/(25+273.15)) (式7)

4)设定(25～65)℃范围内各温度段材料VOC初始可散发浓度潜能Cm0p_25mg/m

5)设定材料VOC散发过程中的逐时温度C(t)℃。

6)基于材料VOC仿真散发初始t0时刻的温度C(t0)，计算仿真散发的初始可散发浓度Cm(C(t0))mg/m

Cm(C(t0))＝Cm0_a×(C(t0)+273.15)^-0.5×exp(Cm0_b/(C(t0)+273.15)) (式10)

7)计算(25～65)℃范围内各逐时温度下的材料VOC关键散发参数，包括扩散系数Dm(C(t))m

Dm(C(t))＝Dm_a×(C(t)+273.15)^1.25×exp(Dm_b/(C(t)+273.15)) (式11)

K(C(t))＝K_a×(C(t)+273.15)^0.5×exp(K_b/(C(t)+273.15)) (式12)

8)文献检索得到VOC在25℃空气中的扩散系数Da_25m

Da(C(t))＝Da_25×((C(t)+273.15)/298.15)^1.81 (式13)

9)在有限元分析软件中构建材料VOC散发几何模型并进行网格划分，在各网格节点上设定相关参数，包括：1)在材料网格节点上设定仿真散发初始t0时刻的初始可散发浓度Cm(C(t0))mg/m

10)设定仿真散发的总时长t_total s和仿真计算的时间步进t_step s。

11)在材料和空气网格节点上应用菲克第二扩散定律，在材料—空气界面处网格节点上应用亨利定律，

12)计算得到散发了一个时步后各网格节点上的浓度Cm mg/m

13)根据仿真散发了一个时步后的温度C(t-t_step)和小于等于该温度C(t-t_step)的各温度段材料VOC初始可散发浓度潜能Cm0p_25mg/m

其中：

If条件语句之后的Temp＝25:65的含义是Temp从25至65以1为步长依次取值，直至if条件语句判断为真后停止后续取值。

14)根据步骤S7获得散发了一个时间步进后的各温度段初始可散发浓度Cm0v_Temp，计算下一个时步开始时的温度C(t)，计算小于等于该温度C(t)的各温度段的初始可散发浓度的加和，并把加和的结果更新给各网格节点上的材料VOC可散发浓度Cm mg/m

15)判断当前的仿真时长t是否小于仿真总时长t_total。若是，则更新材料网格节点上的扩散系数为Dm(C(t))m

16)记材料网格节点数为x，各网格节点分别为n1、n2、……、nx，计算材料各网格节点上的逐时浓度的平均值Cm_avg(t)mg/m

式(17)的含义是时间变量t从0至t_total以t_step为步长依次取值，将同一时刻下的各网格节点上的可散发浓度Cm_h(t)mg/m

17)记空气网格节点数为y，各网格节点分别为a1、a2、……、ay，计算空气各网格节点上的逐时浓度的平均值Ca_avg(t)mg/m

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。