VRB技术在轻量化车身上的应用

刘江波，赵 震，张 羽

（安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230601）

汽车轻量化是实现节能减排的重要途径之一，也已成为汽车企业研究发展的热点。变厚度技术可以实现汽车零部件厚度和性能的精确匹配，是典型的汽车轻量化技术之一[1]。目前，行业内常用的变厚度技术有加强板+补强板焊接方案、激光拼焊板（Tailor Welded Blank, TWB）和变厚度轧制板（Variable-thickness Rolled Blank,VRB）3种[2]。

1 整体式热成型门环技术应用背景

1.1 VRB 技术介绍

VRB 是通过轧钢机实施柔性轧制获得，在轧制过程中，借助厚度自动控制系统，控制轧辊的位置，使其间距实时地调整变化，使轧制出的薄板有预先定制的变厚度分布，实现连续精确的厚度分布[3-4]，VRB 技术原理如图1 所示。厚度分布一般5～8 种，最大厚度hmax=2hmin，相邻等厚段最小厚度差0.2 mm，最小等后段长度50 mm，过渡段斜率1/3 000～1/100，另外VRB 板料最大宽度≤850 mm。

图1 VRB 技术原理图

VRB 相对加强板+补强板焊接方案和TWB 方案优势如下：1）厚度过渡区代替焊点焊缝，连接均匀，强度性能更好；2）过渡区有良好的吸能效果，抗冲击性能更好；3）同等强度刚度效果时，比加强板＋补强板、TWB 轻量化效果更好。因此，VRB 尤其适合用于需局部增厚结构加强的零部件（如碰撞传力梁等），实现零部件的厚度精确设计和轻量化设计[5]。

1.2 VRB 技术发展情况

国外的主流汽车企业已逐步将VRB 技术作为轻量化的重要选项，通过调研发现，奔驰、宝马、大众、雪铁龙、福特、通用等制造商应用VRB 变厚板技术主要集中在B 柱等车体碰撞传力梁部位，其中B 柱应用最多[6]。

目前，国内VRB 热成形B 柱应用研究处于起步阶段，受限于其结构设计方法不成熟、成本控制等问题，暂时未实现大规模量产应用。通过调研发现，东风岚图车型B 柱已开始应用VRB 热成形技术。

1.3 VRB 技术典型结构

通过调研国内外应用VRB 技术的车型，总结出目前主流应用技术的典型结构特点，如表1 所示：

表1 车型应用调研

1）应用部位：集中在B 柱、地板纵/横梁、座椅横梁、前防撞梁等部位，主要为车体碰撞传力梁（薄区变形吸能，厚区高刚性），其中B 柱应用最多[6]；

2）成形工艺：VRB 零部件的成形以热成形为主，主要通过热压成形钢（Hot Press Forming Steels,HPF）+VRB 的工艺组合实现碰撞传力件的碰撞性能和轻量化的最大化；

3）厚度分布：一般有5～8 种厚度，范围1.2～2.7 mm，最大厚度分布在上铰链区域（1.7～2.7 mm），两侧厚度近似对称且逐渐递减，最小厚度分布在两端（1.2～1.5 mm），具有中间厚两端薄的典型特点，如图2 所示；

4）搭接结构：与周边件搭接采用零间隙贴合设计，如图2 所示。

图2 典型应用结构

2 VRB 技术应用实例

本文基于某款中高端新能源车型，通过应用VRB 热成形B 柱加强板，实现满足相同碰撞性能前提下降重10%的轻量化效果。该款中高端新能源车型B 柱原焊接方案采用等厚度热成形B 柱加强板+B 柱铰链加强板焊接的方案，如图3 所示。焊接方案相关参数包括中国保险汽车安全指数（China-Insurance Automotive Safety Index, C-IASI）侧碰生存空间109 mm；中国新车安全评价规程（China-New Car Assessment Program, C-NCAP）侧碰侵入量121 mm，侵入速度7.2 m/s；顶压承载载荷质量比4.01，单侧质量5.571 kg。

图3 原焊接方案图示

2.1 VRB 技术设计方案

根据调研的主流标杆厚度的分布初步设计厚度分布和宽度尺寸；利用等效断面计算出关键断面静压溃力和弯矩（表2），通过对比标杆车或基础车型来校核初步厚度及分布，一般厚度分布设计为1.2 mm、1.5 mm、2.0 mm、1.5 mm、1.2 mm，对应宽度尺寸一般设计为50 mm、180 mm、400 mm、180 mm、300 mm。

表2 设计方案参数对比表

初步厚度及分布需轧制工艺约束，其中过渡段尺寸一般按照1/100 斜率设计，可减少过渡段尺寸，利于性能和结构布置，根据等厚度段设计为30 mm、50 mm、50 mm、30 mm，具体厚度分布如图4 所示。

图4 设计方案图示

采用落料一出二排样方式，提高材料利用率，同时对应5 段式（1.2 mm、1.5 mm、2.0 mm、1.5 mm、1.2 mm）近似对称厚度分布设计；周边件B 柱内板和侧围外板焊接边与VRB 热成形B 柱采用零间隙贴合设计，如图5 所示。

图5 落料排样方式

2.2 碰撞性能仿真分析

碰撞仿真分析模型如图6 所示，侧面碰撞仿真分析按照C-NCAP、C-IASI 侧碰试验要求进行加载，其中可变形移动壁障初始速度为50 km/h；顶压按照C-IASI 顶压试验要求进行加载。经过仿真分析，C-IASI 侧碰生存空间129 mm，塑性应变0.64；C-NCAP 侧碰侵入量140 mm、侵入速度7.7 m/s、顶压承载力64 082、载荷质量比4.04，均达标。

图6 碰撞仿真分析模型

2.3 重量分析

通过对比分析原始拼焊式B 柱结构，在满足侧碰和顶压性能的情况下，VRB 方案质量4.949 kg，下降11.2%，如表3 所示。

表3 性能参数对比表

3 结语

本文基于某款中高端新能源车型，通过应用VRB 热成形B 柱加强板，在满足碰撞性能的同时，实现降重10%的轻量化效果，该应用对于行业内有一定借鉴作用。随着碰撞法规的日趋严格、汽车企业对轻量化需求的不断加强以及VRB 技术的不断成熟，基于VRB 热成形技术在实现零件厚度与碰撞性能的精准匹配、轻量化和成本方面的巨大优势，VRB 技术在轻量化车身上的应用将有着更广泛的前景。