現(xiàn)階段連續(xù)變截面板研究發(fā)展現(xiàn)狀

羅齊萱

摘要：本文主要對(duì)TRB現(xiàn)階段的生產(chǎn)研究、性能研究以及應(yīng)用研究進(jìn)行介紹。本文分別闡述：TRB在生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵技術(shù)與生產(chǎn)流程以及針對(duì)已有問題的解決方式;TRB現(xiàn)階段性能研究主要研究方向;TRB具體應(yīng)用研究案例。最后提出對(duì)TRB未來研究方向的展望。

Abstract： This paper mainly introduces the production research， performance research and Application Research of TRB at this stage. This paper describes respectively： the key technologies and production processes of TRB in the production process as well as the solutions to the existing problems; the main research directions of performance research at this stage of TRB; the specific application research cases of TRB. Finally， the future research direction of TRB is put forward.

關(guān)鍵詞：TRB;變截面板;輕量化;柔性軋制

Key words： TRB;variable section panel;lightweight;flexible rolling

0? 引言

近年來，全社會(huì)越來越注重地球生態(tài)問題，呼吁節(jié)能減排，強(qiáng)調(diào)綠色出行，但是現(xiàn)如今社會(huì)節(jié)奏加快，汽車已經(jīng)是絕大多數(shù)人生活中的必需品。因此現(xiàn)如今為了降低使用汽車所消耗的能源，現(xiàn)常用的方式是對(duì)車輛進(jìn)行輕量化技術(shù)改進(jìn)，通過減輕汽車自身重量，從而降低能源消耗[1]。輕量化通常是選用輕質(zhì)材料或者對(duì)汽車結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，從而在保證車身強(qiáng)度滿足要求的前提下減輕車身重量。

本文主要討論的是通過使用特殊加工后的鋼板，在滿足使用強(qiáng)度、性能以及其他方面的條件下，減少車身材料，從而達(dá)到輕量化的目的。根據(jù)調(diào)查實(shí)際使用過程中在很多情況下，用鋼材制作的零部件其受力往往是不均勻的，因而變厚度的產(chǎn)品比厚度均勻的產(chǎn)品更有利于發(fā)揮材料的承載潛力。

1  TRB介紹及生產(chǎn)研究

連續(xù)變截面板，英文名Tailored? Rolled Blanks，簡(jiǎn)稱 TRB。這項(xiàng)技術(shù)是二十世紀(jì)九十年代由德國(guó)的研究所研究開發(fā)出來的[2]。TRB是一種具有不同厚度且直接存在過渡區(qū)域的鋼板，如圖1所示，通過一個(gè)平滑的過渡區(qū)域，可以使TRB在減少自身重量同時(shí)減輕應(yīng)力突變等缺陷。

TRB最核心的技術(shù)被稱作“柔性軋制技術(shù)”[3]。這項(xiàng)技術(shù)是通過計(jì)算機(jī)連續(xù)控制軋輥之間的間隙，從而使鋼板被軋出擁有著連續(xù)變化厚度使之過渡的不等厚鋼板。柔性軋制依靠的是控制系統(tǒng)對(duì)軋輥進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，在生產(chǎn)過程中需要保證精度，防止厚度突變保證質(zhì)量。在TRB的軋制過程中，由于TRB的軋制通常是周期循環(huán)的，需要在生產(chǎn)周期內(nèi)進(jìn)行完成厚度變化循環(huán)，故在整個(gè)生產(chǎn)過程中需要研究的有軋制、矯直、剪切等各個(gè)方面的研究，生產(chǎn)示意圖如圖2所示[4]。

1.1 軋制技術(shù)研究

TRB變截面軋制的實(shí)現(xiàn)主要是依靠依靠柔性軋制技術(shù)，近些年對(duì)于柔性技術(shù)的研究主要集中于對(duì)軋制控制技術(shù)、軋制過程控制流程、軋制過渡面時(shí)軋輥的運(yùn)動(dòng)規(guī)律等方面。

有學(xué)者建立軋制過渡區(qū)時(shí)，軋輥縫的動(dòng)態(tài)控制模型，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)DP590雙相鋼進(jìn)行變厚度的軋制[5]。實(shí)驗(yàn)使用離散化的方法對(duì)控制模型進(jìn)行建立，結(jié)合設(shè)定輥縫的與負(fù)載之間的閉合控制，構(gòu)建出了整個(gè)軋制過程中的控制系統(tǒng)，然后應(yīng)用高精度測(cè)厚儀以及測(cè)速儀與高精度位移傳感器進(jìn)行結(jié)合，從而進(jìn)行精準(zhǔn)控制。最終經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)結(jié)果厚度偏差最大為0.08mm。

有學(xué)者研究TRB的軋制控制，通過建立整個(gè)生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵技術(shù)的控制模型[6]。為了保證軋制過程中定位精度，在伺服閥與計(jì)算機(jī)進(jìn)行快速響應(yīng)，并且保證整個(gè)軋制過程中控制系統(tǒng)的安全順暢運(yùn)行。相應(yīng)控制數(shù)據(jù)流程圖如圖3所示。

有學(xué)者為了研究TRB軋制成型的過程，建立軋制模型進(jìn)行仿真，并對(duì)軋輥在軋制過程中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了研究[7]。根據(jù)穩(wěn)定軋制時(shí)板材的出料速度恒定，分別計(jì)算了厚區(qū)和薄區(qū)的水平速度，再根據(jù)軋制的原理，得出軋制過渡區(qū)域時(shí)，物料的出口速度的變化是線性均勻變化的，對(duì)公式進(jìn)行整合，得出在軋制過渡區(qū)時(shí)，軋輥的豎直速度，如下所示：

通過建立軋輥的運(yùn)動(dòng)公式，可以用來模擬軋制過程中軋輥的運(yùn)動(dòng)，從而可以用于對(duì)整個(gè)軋制過程進(jìn)行有限元分析。

1.2 剪切工藝研究

寶鋼公司考慮到生產(chǎn)出的TRB是周期性厚度變化的鋼卷，而用戶需要的是單張疊加的板材，對(duì)生產(chǎn)流程進(jìn)行了改良[8]。由于生產(chǎn)出來的TRB是有著厚度變化的，所以和常規(guī)的鋼卷的剪切有所區(qū)別，對(duì)橫切機(jī)組進(jìn)行了改造，修改了矯直段和剪切段，示意圖如圖4。

東北大學(xué)的吳志強(qiáng)等也對(duì)TRB剪切工藝進(jìn)行了研究[9]。由于TRB在軋制完成后，需要進(jìn)行退火以及矯直等工序，而這些工序中會(huì)出現(xiàn)熱脹冷縮和再加工的微變形，從而導(dǎo)致生產(chǎn)的TRB與設(shè)計(jì)的TRB有誤差，使廢品率上升，并且在多次工序后，誤差將要累計(jì)，需要重新調(diào)整精度與定位，造成生產(chǎn)效率的下降。故針對(duì)已有的問題，重新設(shè)計(jì)了專用于TRB生產(chǎn)的剪切線，并且為了達(dá)到剪切的高精度，設(shè)計(jì)了與之匹配的控制線路與流程。最終設(shè)計(jì)的剪切系統(tǒng)應(yīng)用于沈陽(yáng)東寶公司的生產(chǎn)線路，通過了生產(chǎn)調(diào)試，生產(chǎn)的成品率高于98%，完成了生產(chǎn)目標(biāo)。

2? TRB的性能研究

關(guān)于TRB性能的研究，主要集中研究TRB沖壓過程中的拉深深度、彎曲成型、回彈、起皺以及熱沖壓等方面。

Meyer.A等[10]通過計(jì)算機(jī)模擬后，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，從而達(dá)到提高TRB在拉深過程中深度，最終結(jié)果顯示，在最理想的板材厚度比下，所使用的TRB既能減輕約9%的重量，還可以提高約20%的拉深深度。

在沖壓中，TRB中的厚度過渡區(qū)的成形存在力學(xué)等缺陷，東北大學(xué)的張華偉[11-12]多次研究TRB的沖壓過程中的彎曲成型與回彈問題。通過實(shí)驗(yàn)，對(duì)TRB進(jìn)行橫向沖壓成U型通道板以及盒形拉深件。最終得出結(jié)論，導(dǎo)致TRB回彈的根本原因是在于沖壓過程中的應(yīng)力分布不均勻，可以通過退火的方式減輕應(yīng)力分布不均勻的狀況。

對(duì)TRB進(jìn)行沖壓過程中，由于板材的厚度不均、受力不均，所以起皺現(xiàn)象是十分常見的，張華偉[13]等人采用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的的方法，對(duì)TRB拉深成型的方盒體進(jìn)行研究。通過研究板材中的尺寸參數(shù)、厚度、過渡區(qū)域大小等因素對(duì)起皺的影響展開分析。最終得出結(jié)論，假若板材的尺寸越小，其過渡區(qū)域越小，這種情況下，起皺越不容易產(chǎn)生，使用板材的厚度較小亦可以減小起皺的產(chǎn)生。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的雷呈喜[14]等人針對(duì)應(yīng)用TRB技術(shù)的高強(qiáng)度鋼研究其熱流變特性。通過應(yīng)用熱模擬試驗(yàn)機(jī)分別在不同的溫度下采用不同的應(yīng)變速率，對(duì)厚度不同的板材進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，從而制成應(yīng)力-應(yīng)變曲線，構(gòu)建變形數(shù)學(xué)模型。將曲線與各個(gè)厚度進(jìn)行結(jié)合，再使用最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得出了應(yīng)用TRB的高強(qiáng)度鋼在高溫下的材料性能關(guān)系。最后得出結(jié)論，板材的厚度和應(yīng)變速率在高溫狀況下對(duì)于應(yīng)力和應(yīng)變有一定影響，厚度增加其峰值應(yīng)力也增加;應(yīng)變速率增加時(shí)，變形抗力也將增加。

3? TRB的應(yīng)用研究

TRB的理論研究已經(jīng)發(fā)展多年，現(xiàn)階段主要存在的是TRB在實(shí)際應(yīng)用中的問題，由于沖壓成型往期只用于等截面板，對(duì)于變截面板的應(yīng)用有所區(qū)別，因此現(xiàn)階段主要進(jìn)行的是TRB的應(yīng)用研究。TRB應(yīng)用于車輛上主要集中在結(jié)構(gòu)件，如圖5所示。

華南理工大學(xué)的李佳光研究將TRB應(yīng)用于車輛B柱內(nèi)板[15]。通過將B柱內(nèi)板的截面、厚薄、長(zhǎng)度等參數(shù)進(jìn)行多組結(jié)合，建立了有限元模型;再通過使用NASTRAN和LS-DYNA進(jìn)行模擬分析，分析其受到的靜力學(xué)與動(dòng)力學(xué)性能，從而建立近似模型，將需要承受力比較大的部分進(jìn)行加厚，較小部分減薄，建立了TRB應(yīng)用于B柱內(nèi)板的模型，對(duì)結(jié)果進(jìn)行模擬分析，滿足使用要求并且減輕了質(zhì)量的同時(shí)，減小了變形量。

寶山鋼鐵公司研究使用TRB應(yīng)用于汽車頂蓋橫梁的研究[16]。通過將一種車型的頂蓋橫梁作為模型，使用Autoform與Dynaform進(jìn)行建模與分析，探索使用TRB進(jìn)行加工成型頂蓋橫梁，針對(duì)使用變截面板加工的難度大這一狀況，使用對(duì)型面進(jìn)行分區(qū)偏置的方式，還對(duì)TRB在加工過程中所存在的間隙和定位進(jìn)行了一定的研究，組合建立了應(yīng)用TRB加工頂蓋橫梁的加工流程，通過加工實(shí)驗(yàn)，所生產(chǎn)的頂蓋橫梁滿足強(qiáng)度與精度要求。

TRB于車輛吸能盒與前縱梁的研究相對(duì)較多。大量理工大學(xué)的姜帆[17]與華南理工大學(xué)的蘭鳳崇[18]都對(duì)此有所研究。姜帆通過應(yīng)用TRB加工成方管吸能盒，通過改變壁厚大小來分析研究，通過多次壓潰試驗(yàn)，從而得出通過使用不同厚度的TRB制作的吸能盒，可以誘導(dǎo)吸能盒的壓潰變形，從而無需進(jìn)行誘導(dǎo)槽的加工。蘭鳳崇主要研究應(yīng)用TRB加工前縱梁，首先根據(jù)原有的前縱梁模型進(jìn)行分析其在發(fā)生碰撞時(shí)所承受力的情況，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化建立了應(yīng)用TRB的前縱梁模型，再將優(yōu)化完TRB前縱梁模型進(jìn)行碰撞分析，通過仿真與試驗(yàn)，最終設(shè)計(jì)出的TRB前縱梁對(duì)比原先前縱梁，在具有質(zhì)量減輕5.21%的情況下，變形減小，具有了更好的耐撞性。

4? 結(jié)語

本文主要介紹了現(xiàn)階段TRB所進(jìn)行生產(chǎn)研究、性能研究以及應(yīng)用研究。根據(jù)現(xiàn)有的研究可以發(fā)現(xiàn)，TRB技術(shù)主要應(yīng)用于輕量化問題，通過加工車身結(jié)構(gòu)件，減輕車身重量，從而達(dá)到輕量化的效果。綜合來看TRB的研究具有著發(fā)展前景，現(xiàn)應(yīng)用的TRB已經(jīng)使車身減輕了達(dá)10%以上，但是目前TRB的應(yīng)用主要集中車輛方面，對(duì)于新的領(lǐng)域的研究值得研究探索。

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