现阶段连续变截面板研究发展现状

罗齐萱

摘要：本文主要对TRB现阶段的生产研究、性能研究以及应用研究进行介绍。本文分别阐述：TRB在生产过程中的关键技术与生产流程以及针对已有问题的解决方式;TRB现阶段性能研究主要研究方向;TRB具体应用研究案例。最后提出對TRB未来研究方向的展望。

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.

关键词：TRB;变截面板;轻量化;柔性轧制

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

0  引言

近年来，全社会越来越注重地球生态问题，呼吁节能减排，强调绿色出行，但是现如今社会节奏加快，汽车已经是绝大多数人生活中的必需品。因此现如今为了降低使用汽车所消耗的能源，现常用的方式是对车辆进行轻量化技术改进，通过减轻汽车自身重量，从而降低能源消耗[1]。轻量化通常是选用轻质材料或者对汽车结构进行合理的设计，从而在保证车身强度满足要求的前提下减轻车身重量。

本文主要讨论的是通过使用特殊加工后的钢板，在满足使用强度、性能以及其他方面的条件下，减少车身材料，从而达到轻量化的目的。根据调查实际使用过程中在很多情况下，用钢材制作的零部件其受力往往是不均匀的，因而变厚度的产品比厚度均匀的产品更有利于发挥材料的承载潜力。

1  TRB介绍及生产研究

连续变截面板，英文名Tailored  Rolled Blanks，简称 TRB。这项技术是二十世纪九十年代由德国的研究所研究开发出来的[2]。TRB是一种具有不同厚度且直接存在过渡区域的钢板，如图1所示，通过一个平滑的过渡区域，可以使TRB在减少自身重量同时减轻应力突变等缺陷。

TRB最核心的技术被称作“柔性轧制技术”[3]。这项技术是通过计算机连续控制轧辊之间的间隙，从而使钢板被轧出拥有着连续变化厚度使之过渡的不等厚钢板。柔性轧制依靠的是控制系统对轧辊进行实时控制，在生产过程中需要保证精度，防止厚度突变保证质量。在TRB的轧制过程中，由于TRB的轧制通常是周期循环的，需要在生产周期内进行完成厚度变化循环，故在整个生产过程中需要研究的有轧制、矫直、剪切等各个方面的研究，生产示意图如图2所示[4]。

1.1 轧制技术研究

TRB变截面轧制的实现主要是依靠依靠柔性轧制技术，近些年对于柔性技术的研究主要集中于对轧制控制技术、轧制过程控制流程、轧制过渡面时轧辊的运动规律等方面。

有学者建立轧制过渡区时，轧辊缝的动态控制模型，并进行实验对DP590双相钢进行变厚度的轧制[5]。实验使用离散化的方法对控制模型进行建立，结合设定辊缝的与负载之间的闭合控制，构建出了整个轧制过程中的控制系统，然后应用高精度测厚仪以及测速仪与高精度位移传感器进行结合，从而进行精准控制。最终经过实验，实验结果与设计结果厚度偏差最大为0.08mm。

有学者研究TRB的轧制控制，通过建立整个生产过程中的关键技术的控制模型[6]。为了保证轧制过程中定位精度，在伺服阀与计算机进行快速响应，并且保证整个轧制过程中控制系统的安全顺畅运行。相应控制数据流程图如图3所示。

有学者为了研究TRB轧制成型的过程，建立轧制模型进行仿真，并对轧辊在轧制过程中的运动规律进行了研究[7]。根据稳定轧制时板材的出料速度恒定，分别计算了厚区和薄区的水平速度，再根据轧制的原理，得出轧制过渡区域时，物料的出口速度的变化是线性均匀变化的，对公式进行整合，得出在轧制过渡区时，轧辊的竖直速度，如下所示：

通过建立轧辊的运动公式，可以用来模拟轧制过程中轧辊的运动，从而可以用于对整个轧制过程进行有限元分析。

1.2 剪切工艺研究

宝钢公司考虑到生产出的TRB是周期性厚度变化的钢卷，而用户需要的是单张叠加的板材，对生产流程进行了改良[8]。由于生产出来的TRB是有着厚度变化的，所以和常规的钢卷的剪切有所区别，对横切机组进行了改造，修改了矫直段和剪切段，示意图如图4。

东北大学的吴志强等也对TRB剪切工艺进行了研究[9]。由于TRB在轧制完成后，需要进行退火以及矫直等工序，而这些工序中会出现热胀冷缩和再加工的微变形，从而导致生产的TRB与设计的TRB有误差，使废品率上升，并且在多次工序后，误差将要累计，需要重新调整精度与定位，造成生产效率的下降。故针对已有的问题，重新设计了专用于TRB生产的剪切线，并且为了达到剪切的高精度，设计了与之匹配的控制线路与流程。最终设计的剪切系统应用于沈阳东宝公司的生产线路，通过了生产调试，生产的成品率高于98%，完成了生产目标。

2  TRB的性能研究

关于TRB性能的研究，主要集中研究TRB冲压过程中的拉深深度、弯曲成型、回弹、起皱以及热冲压等方面。

Meyer.A等[10]通过计算机模拟后，再进行实验测试，从而达到提高TRB在拉深过程中深度，最终结果显示，在最理想的板材厚度比下，所使用的TRB既能减轻约9%的重量，还可以提高约20%的拉深深度。

在冲压中，TRB中的厚度过渡区的成形存在力学等缺陷，东北大学的张华伟[11-12]多次研究TRB的冲压过程中的弯曲成型与回弹问题。通过实验，对TRB进行横向冲压成U型通道板以及盒形拉深件。最终得出结论，导致TRB回弹的根本原因是在于冲压过程中的应力分布不均匀，可以通过退火的方式减轻应力分布不均匀的状况。

对TRB进行冲压过程中，由于板材的厚度不均、受力不均，所以起皱现象是十分常见的，张华伟[13]等人采用数值模拟与实验相结合的的方法，对TRB拉深成型的方盒体进行研究。通过研究板材中的尺寸参数、厚度、过渡区域大小等因素对起皱的影响展开分析。最终得出结论，假若板材的尺寸越小，其过渡区域越小，这种情况下，起皱越不容易产生，使用板材的厚度较小亦可以减小起皱的产生。

哈尔滨工业大学的雷呈喜[14]等人针对应用TRB技术的高强度钢研究其热流变特性。通过应用热模拟试验机分别在不同的温度下采用不同的应变速率，对厚度不同的板材进行拉伸试验，从而制成应力-应变曲线，构建变形数学模型。将曲线与各个厚度进行结合，再使用最小二乘法进行数据拟合，得出了应用TRB的高强度钢在高温下的材料性能关系。最后得出结论，板材的厚度和应变速率在高温状况下对于应力和应变有一定影响，厚度增加其峰值应力也增加;应变速率增加时，变形抗力也将增加。

3  TRB的应用研究

TRB的理论研究已经发展多年，现阶段主要存在的是TRB在实际应用中的问题，由于冲压成型往期只用于等截面板，对于变截面板的应用有所区别，因此现階段主要进行的是TRB的应用研究。TRB应用于车辆上主要集中在结构件，如图5所示。

华南理工大学的李佳光研究将TRB应用于车辆B柱内板[15]。通过将B柱内板的截面、厚薄、长度等参数进行多组结合，建立了有限元模型;再通过使用NASTRAN和LS-DYNA进行模拟分析，分析其受到的静力学与动力学性能，从而建立近似模型，将需要承受力比较大的部分进行加厚，较小部分减薄，建立了TRB应用于B柱内板的模型，对结果进行模拟分析，满足使用要求并且减轻了质量的同时，减小了变形量。

宝山钢铁公司研究使用TRB应用于汽车顶盖横梁的研究[16]。通过将一种车型的顶盖横梁作为模型，使用Autoform与Dynaform进行建模与分析，探索使用TRB进行加工成型顶盖横梁，针对使用变截面板加工的难度大这一状况，使用对型面进行分区偏置的方式，还对TRB在加工过程中所存在的间隙和定位进行了一定的研究，组合建立了应用TRB加工顶盖横梁的加工流程，通过加工实验，所生产的顶盖横梁满足强度与精度要求。

TRB于车辆吸能盒与前纵梁的研究相对较多。大量理工大学的姜帆[17]与华南理工大学的兰凤崇[18]都对此有所研究。姜帆通过应用TRB加工成方管吸能盒，通过改变壁厚大小来分析研究，通过多次压溃试验，从而得出通过使用不同厚度的TRB制作的吸能盒，可以诱导吸能盒的压溃变形，从而无需进行诱导槽的加工。兰凤崇主要研究应用TRB加工前纵梁，首先根据原有的前纵梁模型进行分析其在发生碰撞时所承受力的情况，对其进行优化建立了应用TRB的前纵梁模型，再将优化完TRB前纵梁模型进行碰撞分析，通过仿真与试验，最终设计出的TRB前纵梁对比原先前纵梁，在具有质量减轻5.21%的情况下，变形减小，具有了更好的耐撞性。

4  结语

本文主要介绍了现阶段TRB所进行生产研究、性能研究以及应用研究。根据现有的研究可以发现，TRB技术主要应用于轻量化问题，通过加工车身结构件，减轻车身重量，从而达到轻量化的效果。综合来看TRB的研究具有着发展前景，现应用的TRB已经使车身减轻了达10%以上，但是目前TRB的应用主要集中车辆方面，对于新的领域的研究值得研究探索。

参考文献：

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[16]张文，高永生.变厚板汽车顶盖横梁成形工艺研究及模具设计[J].模具工业，2016，42（4）：19-24.

[17]姜帆.基于变截面板的吸能盒与前纵梁优化[D].山东：大连理工大学，2015.

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