BS600高强钢油罐车罐体轻量化研究.pdf

第 15 卷 第 9 期 精 密 成 形 工 程 2023 年 9 月 JOURNAL OF NETSHAPE FORMING ENGINEERING 125 收稿日期：2023-03-17 Received：2023-03-17 基金项目：随州市科技计划（2020ZY0426）Fund：Suizhou Science and Technology Project(2020ZY0426)引文格式：吴饶福,朱春东,石磊,等.BS600 高强钢油罐车罐体轻量化研究J.精密成形工程,2023,15(9):125-132.WU Rao-fu,ZHU Chun-dong,SHI Lei,et al.Lightweight of BS600 High Strength Steel Oil Tank TrucksJ.Journal of Netshape Forming Engineering,2023,15(9):125-132.BS600 高强钢油罐车罐体轻量化研究 吴饶福1，朱春东1,2*，石磊1，夏曦1（1.武汉理工大学 材料科学与工程学院，武汉 430070；2.随州武汉理工大学工业研究院，湖北 随州 441300）摘要：目的目的 为了有效降低油罐车的能源消耗和污染物排放，完成油罐车罐体减重 30%的轻量化目标。基于有限元仿真与试验，验证使用高强钢替代罐体原材料实现油罐车轻量化方案的可行性。方法方法 利用 ANSYS有限元软件，在 3 种不同工况下，对使用新材料的罐体进行强度、刚度分析；基于仿真结果，对 3.5 mm 厚的 BS600 高强钢板材进行焊接试验、金相组织观察以及拉伸试验，以评估 BS600 钢的焊接性能；对焊接后的 BS600 钢材进行小件和大件的弯曲试验，以验证 BS600 钢的弯曲性能。结果结果 在 3 种工况下，罐体的最大应力为 288 MPa，小于材料的许用应力，罐体强度满足要求；罐体的最大变形量为 5.92 mm，刚度满足要求；焊接后拉伸试样的抗拉强度为 720730 MPa，高于母材强度；焊接接头断口的断裂特性为韧性断裂与脆性断裂的混合断裂；弯曲后的小件 BS600 板材未出现裂纹，弯曲后的大件罐体焊缝缺陷数量较少，焊缝质量良好。结论结论 所设计的高强钢材料的厚度符合罐体各工况要求，高强钢的成形工艺可行性良好。罐体减重能达到 30%，具有良好的工程应用价值。关键词：罐体轻量化；高强钢；有限元分析；焊接；弯曲 DOI：10.3969/j.issn.1674-6457.2023.09.015 中图分类号：U463.1；TG446.1 文献标识码：A 文章编号：1674-6457(2023)09-0125-08 Lightweight of BS600 High Strength Steel Oil Tank Trucks WU Rao-fu1,ZHU Chun-dong1,2*,SHI Lei1,XIA Xi1 (1.School of Materials Science and Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China;2.Industrial Research Institute,Wuhan University of Technology,Hubei Suizhou 441300,China)ABSTRACT:The work aims to effectively reduce energy consumption and pollutant emissions of oil tank trucks,achieve the lightweight goal of reducing tank weight by 30%,and verify the feasibility of using high strength steel instead of tank raw mate-rials to achieve lightweight solutions for oil tank trucks based on finite element simulation and experimental research methods.In this paper,ANSYS finite element software was used to analyze the strength and stiffness of the tank under three different working conditions.Based on the simulation results,the welding experiment,metallographic microstructure observation and tensile test of 3.5 mm thick BS600 high strength steel sheet were carried out to evaluate the welding performance of BS600 steel.On the basis of welding,the bending test of BS600 steel after welding was carried out to verify the bending performance of BS600 steel.The results showed that the maximum stress of the tank under three working conditions was 288 MPa,which was less than the allowable stress of the material,and the strength of the tank met the requirements.The maximum deformation of 126 精 密 成 形 工 程 2023 年 9 月 tank was 5.92 mm,and the rigidity met the requirements.The tensile strength of welded tensile sample was 720-730 MPa,which was higher than that of base metal.The fracture characteristics of welded joint were mixed ductile fracture and brittle fracture.After bending,the small BS600 plate had no crack,the large tank had few weld defects,and the weld quality was good.The thickness of the designed high strength steel meets the requirements of each working condition of the tank and the forming process of high strength steel is feasible.The weight reduction of tank can reach 30%,which has good engineering application value.KEY WORDS:tank lightweight;high strength steel;finite element analysis;welding;bending 随着经济的快速发展，能源的消耗逐年增加，国家对节能减排的重视程度不断提高，提出了碳达峰和碳中和的发展目标。目前，专用车在我国得到了大力发展，其中罐式车占有较大比例1。研究表明，罐式车辆的质量每减少 100 kg，其燃油经济性可减少0.4 L/100 km2，因此，轻量化技术已成为降低能源消耗和减少排放的有效措施3-5。但是有关轻量化技术在罐式车罐体上的研究较少，新钢材的使用又过于匮乏，目前很多罐式车的罐体采用的都是普通低碳钢Q235系列6-8，罐体壁厚的设计很多都依赖于经验值，罐体的自重过大，从长期发展来看不利于罐式车的发展，因此，罐式车轻量化技术有较好的实际应用前景，能在提高运输效率、增强企业自身产品核心竞争力等方面有积极作用。在罐式车轻量化方面，李雪瑞等9基于参数化建模方法，通过有限元仿真研究了使用复合材料对罐体进行轻量化的可行性。任晓路等10基于有限单元法对罐体进行了多工况瞬态动力学分析，对罐体壁厚进行了优化，减轻了罐体质量，并通过试验验证了轻量化仿真结果。赵满11通过流体分析软件 FLUENT 对某型洒水车罐体进行了仿真分析，对罐体危险应力位置进行了结构优化，减轻了罐体质量。Wang 等12提出了一种变截面多材料的设计方法，使用响应面法优化对罐车的车架进行了轻量化研究。Zuo 等13综合考虑了车身静态、动态力学性能，对罐式车车身厚度进行了优化，降低了 7.84%的车身重量。综上所述，现有的轻量化研究多针对罐体结构优化方面，而有关高强度钢材替代普通钢材的轻量化研究较少。由于罐体结构较为简单，结构优化对罐体轻量化的效果有限，难以满足企业对罐式车轻量化的更高要求。本文采用高强度钢材替代普通低碳钢的方案，对 5 m3的油罐车罐体进行轻量化研究，从而减小罐体壁厚、降低罐体重量，实现企业提出的罐体减重 30%的目标。在 3 种不同工况下利用 ANSYS 对使用新材料的罐体进行强度刚度分析，在理论上论证使用高强钢对罐体进行轻量化的可行性。在此基础上，对所选高强钢板材进行焊接试验、金相组织观察以及拉伸试验，以评估所选高强钢的焊接性能。对焊接后的高强钢钢材进行小件和大件的弯曲试验，以验证其弯曲性能。将理论与试验结合来探索轻量化设计方法，以期推动轻量化技术在罐式车上的发展。1 罐体材料的选取 目前轻量化技术主要有 3 种手段，分别为新材料的使用、设计方法和结构改进，与其他 2 种方法相比，使用新材料的轻量化效果更为明显14-18。材料的选取、结构设计、强度设计为罐体设计的三大要素。油罐车的罐体材料为 Q235，罐体外形尺寸（长长轴短轴）为 3 500 mm1 600 mm1 200 mm，罐体的有效容积为 5 m3，罐体厚度为 5 mm。罐体的轻量化目标为减重 30%，减小 1.5 mm 的罐体厚度。结合 GB 18564.1 可知，在使用国内标准钢时，罐体壁厚需考虑钢板负偏差、加工减薄量、腐蚀余量等因素，需满足强度、刚度要求。当罐体横截面直径小于 1 800 mm时，最小壁厚为 5 mm；当罐体横截面直径大于1 800 mm 时，最小壁厚为 6 mm。当采用其他高强度钢材时，最小壁厚可由式（1）计算得到。0123m1 1464()RA (1)式中：0为标准钢的罐体最小壁厚，mm；1为所用材料的罐体最小壁厚，mm；A1为所用材料的断后伸长率，%；Rm1为所用材料的标准抗拉伸强度下限值，MPa。这 里 的 标 准 钢 是 指 常 温 下 屈 服 强 度 小 于460 MPa、抗拉强度上限不大于725 MPa的钢材。当钢材的屈服和抗拉强度不在这一范围时，属于其他钢材。采用高强钢材料时，理论厚度为3.5 mm，考虑到加工减薄量、钢板偏差等因素，设计厚度应该为33.5 mm。最小设计壁厚的计算如式（2）所示。123m1 1464 53.03.5 mm()RA (2)当罐体材料为Q235时，罐体厚度为5 mm，为了实现3.5 mm的罐体厚度，初步选择了BS550和BS600 2种材料，BS系列均为低碳低合金高强钢，具有良好的成形性能和塑性，广泛应用于压力容器、汽车大梁、底盘等。BS550和BS600