VRB技術(shù)在輕量化車身上的應(yīng)用

劉江波，趙 震，張 羽

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

汽車輕量化是實現(xiàn)節(jié)能減排的重要途徑之一，也已成為汽車企業(yè)研究發(fā)展的熱點。變厚度技術(shù)可以實現(xiàn)汽車零部件厚度和性能的精確匹配，是典型的汽車輕量化技術(shù)之一[1]。目前，行業(yè)內(nèi)常用的變厚度技術(shù)有加強板+補強板焊接方案、激光拼焊板（Tailor Welded Blank, TWB）和變厚度軋制板（Variable-thickness Rolled Blank,VRB）3種[2]。

1 整體式熱成型門環(huán)技術(shù)應(yīng)用背景

1.1 VRB 技術(shù)介紹

VRB 是通過軋鋼機實施柔性軋制獲得，在軋制過程中，借助厚度自動控制系統(tǒng)，控制軋輥的位置，使其間距實時地調(diào)整變化，使軋制出的薄板有預(yù)先定制的變厚度分布，實現(xiàn)連續(xù)精確的厚度分布[3-4]，VRB 技術(shù)原理如圖1 所示。厚度分布一般5～8 種，最大厚度hmax=2hmin，相鄰等厚段最小厚度差0.2 mm，最小等后段長度50 mm，過渡段斜率1/3 000～1/100，另外VRB 板料最大寬度≤850 mm。

圖1 VRB 技術(shù)原理圖

VRB 相對加強板+補強板焊接方案和TWB 方案優(yōu)勢如下：1）厚度過渡區(qū)代替焊點焊縫，連接均勻，強度性能更好；2）過渡區(qū)有良好的吸能效果，抗沖擊性能更好；3）同等強度剛度效果時，比加強板＋補強板、TWB 輕量化效果更好。因此，VRB 尤其適合用于需局部增厚結(jié)構(gòu)加強的零部件（如碰撞傳力梁等），實現(xiàn)零部件的厚度精確設(shè)計和輕量化設(shè)計[5]。

1.2 VRB 技術(shù)發(fā)展情況

國外的主流汽車企業(yè)已逐步將VRB 技術(shù)作為輕量化的重要選項，通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，奔馳、寶馬、大眾、雪鐵龍、福特、通用等制造商應(yīng)用VRB 變厚板技術(shù)主要集中在B 柱等車體碰撞傳力梁部位，其中B 柱應(yīng)用最多[6]。

目前，國內(nèi)VRB 熱成形B 柱應(yīng)用研究處于起步階段，受限于其結(jié)構(gòu)設(shè)計方法不成熟、成本控制等問題，暫時未實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)應(yīng)用。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，東風(fēng)嵐圖車型B 柱已開始應(yīng)用VRB 熱成形技術(shù)。

1.3 VRB 技術(shù)典型結(jié)構(gòu)

通過調(diào)研國內(nèi)外應(yīng)用VRB 技術(shù)的車型，總結(jié)出目前主流應(yīng)用技術(shù)的典型結(jié)構(gòu)特點，如表1 所示：

表1 車型應(yīng)用調(diào)研

1）應(yīng)用部位：集中在B 柱、地板縱/橫梁、座椅橫梁、前防撞梁等部位，主要為車體碰撞傳力梁（薄區(qū)變形吸能，厚區(qū)高剛性），其中B 柱應(yīng)用最多[6]；

2）成形工藝：VRB 零部件的成形以熱成形為主，主要通過熱壓成形鋼（Hot Press Forming Steels,HPF）+VRB 的工藝組合實現(xiàn)碰撞傳力件的碰撞性能和輕量化的最大化；

3）厚度分布：一般有5～8 種厚度，范圍1.2～2.7 mm，最大厚度分布在上鉸鏈區(qū)域（1.7～2.7 mm），兩側(cè)厚度近似對稱且逐漸遞減，最小厚度分布在兩端（1.2～1.5 mm），具有中間厚兩端薄的典型特點，如圖2 所示；

4）搭接結(jié)構(gòu)：與周邊件搭接采用零間隙貼合設(shè)計，如圖2 所示。

圖2 典型應(yīng)用結(jié)構(gòu)

2 VRB 技術(shù)應(yīng)用實例

本文基于某款中高端新能源車型，通過應(yīng)用VRB 熱成形B 柱加強板，實現(xiàn)滿足相同碰撞性能前提下降重10%的輕量化效果。該款中高端新能源車型B 柱原焊接方案采用等厚度熱成形B 柱加強板+B 柱鉸鏈加強板焊接的方案，如圖3 所示。焊接方案相關(guān)參數(shù)包括中國保險汽車安全指數(shù)（China-Insurance Automotive Safety Index, C-IASI）側(cè)碰生存空間109 mm；中國新車安全評價規(guī)程（China-New Car Assessment Program, C-NCAP）側(cè)碰侵入量121 mm，侵入速度7.2 m/s；頂壓承載載荷質(zhì)量比4.01，單側(cè)質(zhì)量5.571 kg。

圖3 原焊接方案圖示

2.1 VRB 技術(shù)設(shè)計方案

根據(jù)調(diào)研的主流標(biāo)桿厚度的分布初步設(shè)計厚度分布和寬度尺寸；利用等效斷面計算出關(guān)鍵斷面靜壓潰力和彎矩（表2），通過對比標(biāo)桿車或基礎(chǔ)車型來校核初步厚度及分布，一般厚度分布設(shè)計為1.2 mm、1.5 mm、2.0 mm、1.5 mm、1.2 mm，對應(yīng)寬度尺寸一般設(shè)計為50 mm、180 mm、400 mm、180 mm、300 mm。

表2 設(shè)計方案參數(shù)對比表

初步厚度及分布需軋制工藝約束，其中過渡段尺寸一般按照1/100 斜率設(shè)計，可減少過渡段尺寸，利于性能和結(jié)構(gòu)布置，根據(jù)等厚度段設(shè)計為30 mm、50 mm、50 mm、30 mm，具體厚度分布如圖4 所示。

圖4 設(shè)計方案圖示

采用落料一出二排樣方式，提高材料利用率，同時對應(yīng)5 段式（1.2 mm、1.5 mm、2.0 mm、1.5 mm、1.2 mm）近似對稱厚度分布設(shè)計；周邊件B 柱內(nèi)板和側(cè)圍外板焊接邊與VRB 熱成形B 柱采用零間隙貼合設(shè)計，如圖5 所示。

圖5 落料排樣方式

2.2 碰撞性能仿真分析

碰撞仿真分析模型如圖6 所示，側(cè)面碰撞仿真分析按照C-NCAP、C-IASI 側(cè)碰試驗要求進行加載，其中可變形移動壁障初始速度為50 km/h；頂壓按照C-IASI 頂壓試驗要求進行加載。經(jīng)過仿真分析，C-IASI 側(cè)碰生存空間129 mm，塑性應(yīng)變0.64；C-NCAP 側(cè)碰侵入量140 mm、侵入速度7.7 m/s、頂壓承載力64 082、載荷質(zhì)量比4.04，均達標(biāo)。

圖6 碰撞仿真分析模型

2.3 重量分析

通過對比分析原始拼焊式B 柱結(jié)構(gòu)，在滿足側(cè)碰和頂壓性能的情況下，VRB 方案質(zhì)量4.949 kg，下降11.2%，如表3 所示。

表3 性能參數(shù)對比表

3 結(jié)語

本文基于某款中高端新能源車型，通過應(yīng)用VRB 熱成形B 柱加強板，在滿足碰撞性能的同時，實現(xiàn)降重10%的輕量化效果，該應(yīng)用對于行業(yè)內(nèi)有一定借鑒作用。隨著碰撞法規(guī)的日趨嚴(yán)格、汽車企業(yè)對輕量化需求的不斷加強以及VRB 技術(shù)的不斷成熟，基于VRB 熱成形技術(shù)在實現(xiàn)零件厚度與碰撞性能的精準(zhǔn)匹配、輕量化和成本方面的巨大優(yōu)勢，VRB 技術(shù)在輕量化車身上的應(yīng)用將有著更廣泛的前景。