10 m太陽(yáng)能路燈燈桿的有限元研究

席美蕾，朱成虎，龔俊杰，周歡

(1. 揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127; 2. 江蘇龍騰照明集團(tuán)公司，江蘇 揚(yáng)州 225652)

?

10 m太陽(yáng)能路燈燈桿的有限元研究

席美蕾1，朱成虎2，龔俊杰1，周歡1

(1. 揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127; 2. 江蘇龍騰照明集團(tuán)公司，江蘇 揚(yáng)州 225652)

摘要：太陽(yáng)能路燈相對(duì)于普通路燈，其太陽(yáng)能電池板迎風(fēng)面積較大，燈桿受力更易受到外界天氣狀況的影響而發(fā)生破壞。運(yùn)用ABAQUS有限元軟件對(duì)10 m太陽(yáng)能路燈燈桿在風(fēng)載、雪載以及自身重力作用下各構(gòu)件的應(yīng)力與變形進(jìn)行了分析。在保證燈桿強(qiáng)度與剛度安全的基礎(chǔ)上，通過(guò)分別改變燈桿和支架的壁厚，對(duì)太陽(yáng)能路燈燈桿進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，并得出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能路燈；燈桿；有限元分析；改進(jìn)設(shè)計(jì)

0引言

太陽(yáng)能路燈利用太陽(yáng)電池的光伏特效應(yīng)原理，白天太陽(yáng)電池吸收太陽(yáng)能光子能量產(chǎn)生電能通過(guò)控制器存儲(chǔ)在蓄電池里，夜晚蓄電池便開始為光源提供電源[1]。太陽(yáng)能是地球上最直接最普遍也是最清潔的能源，作為一種巨量可再生能源，可以說(shuō)是取之不盡用之不竭。

太陽(yáng)能路燈主要都是采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法，目前對(duì)其深入研究不是很多，仍存在很多問題。許嘉梁[2]指出了太陽(yáng)能路燈的應(yīng)用具有造價(jià)偏高，受自然因素的限制較多，光照范圍窄等缺陷。太陽(yáng)能路燈最大的缺點(diǎn)就是能量轉(zhuǎn)換效率低，太陽(yáng)能光伏電池的轉(zhuǎn)換效率約為15%~19%[3]。而燈桿是關(guān)鍵件之一，對(duì)燈桿的強(qiáng)度計(jì)算通常采用力學(xué)公式計(jì)算來(lái)驗(yàn)算燈桿強(qiáng)度的模型，以及最大風(fēng)載荷時(shí)燈桿基座緊固地腳螺栓抗風(fēng)載荷所能承受能力進(jìn)行計(jì)算。路燈整個(gè)構(gòu)件的受力作用主要分為兩大部分：1) 電池組件安裝支架的抗風(fēng)受力，2) 燈桿部分的結(jié)構(gòu)受力采用計(jì)算機(jī)有限元分析對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件作受力分析和校核[4-6]。

現(xiàn)就太陽(yáng)能路燈在風(fēng)載、雪載以及自身重力作用下燈桿各部分的應(yīng)力及變形進(jìn)行有限元分析，在對(duì)原有設(shè)計(jì)

燈桿的強(qiáng)度與剛度進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，再對(duì)燈桿進(jìn)行合理的改進(jìn)設(shè)計(jì)，以達(dá)到提高燈桿的安全性能及節(jié)省材料的目的。

1路燈燈桿有限元分析

1.1有限元模型的建立

太陽(yáng)能路燈由地基、法蘭、螺栓、燈桿、燈頭、太陽(yáng)能支架、電池板及電池板支架組成。通過(guò)SolidWorks軟件建立路燈的三維模型后，直接導(dǎo)入ABAQUS有限元軟件進(jìn)行分析。太陽(yáng)能路燈的幾何模型如圖1所示。

圖1　太陽(yáng)能路燈的幾何模型

在建立有限元模型時(shí)，由于燈桿的基座相對(duì)于地面是固定不動(dòng)的，所以約束基座底端的3個(gè)移動(dòng)自由度。路燈的地基和燈桿的材料性能參數(shù)如表1所示。支架的材料也采用與燈桿相同的普通鋼。

表1　路燈各部分的材料性能參數(shù)

1.2風(fēng)載作用下路燈燈桿的有限元分析

根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范，按照50年一遇的平原地區(qū)10m高度風(fēng)壓的設(shè)計(jì)要求(建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范—GB50009_2001)，來(lái)確定施加于燈桿的風(fēng)載大小。根據(jù)太陽(yáng)能板和燈桿的受風(fēng)面積計(jì)算燈具及桿身表面受風(fēng)的荷載。

F太陽(yáng)能板=σ×A1=

0.00045MPa×1956mm×992mm×sin40°=561N

F桿身=σ×A2

將上述風(fēng)載施加在燈桿相應(yīng)的位置。為了考慮燈桿各部分重力的影響，設(shè)置所有材料的重力加速度為9.8 m/s2。

通過(guò)有限元計(jì)算，得到太陽(yáng)能路燈燈桿在風(fēng)載與自重作用下的整體及部分構(gòu)件的變形和應(yīng)力云圖如圖2、圖3。

圖2　路燈整體及支架位移云圖

圖3　路燈整體和蒙板1應(yīng)力云圖

由圖2和圖3可以看出，路燈燈桿的最大變形為191.2mm，在支架處。路燈燈桿的最大應(yīng)力發(fā)生在蒙板1與燈桿接觸的尖點(diǎn)處，由于此處只是尖點(diǎn)與桿身擠壓接觸，存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，但是軟件只能模擬最理想情況，實(shí)際上尖點(diǎn)在擠壓后發(fā)生局部壓潰變形，在進(jìn)行強(qiáng)度分析時(shí)可以不予考慮。

通過(guò)有限元計(jì)算得到，高燈桿的最大應(yīng)為82.8 MPa. 發(fā)生在高燈桿與蒙板4接觸的迎風(fēng)面處。矮燈桿的最大應(yīng)力為63.9 MPa，發(fā)生在矮燈桿與蒙板1接觸的背風(fēng)面處。材料強(qiáng)度及許用應(yīng)力是根據(jù)不同材料、使用場(chǎng)合來(lái)規(guī)定的，對(duì)于Q235鋼材料，其極限應(yīng)力為235 MPa，安全系數(shù)取1.4，則許用應(yīng)力為168 MPa。顯然，高桿燈應(yīng)力符合強(qiáng)度要求。

1.3雪載作用下燈桿的有限元分析

對(duì)燈具及桿身表面受的荷載按基本雪壓，即重現(xiàn)期為50年的最大雪壓來(lái)計(jì)算(建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范—GB50009_2001)。雪載是施加在太陽(yáng)能電池板上豎直向下的力。

單獨(dú)分析雪載引起的應(yīng)力和變形可知，最大變形發(fā)生在支架處，豎直向下的最大位移為5.97 mm。最大應(yīng)力發(fā)生在燈桿的蒙板1處，最大應(yīng)力為7.60 MPa。說(shuō)明雪載引起的應(yīng)力和位移都小，可見雪載對(duì)路燈的影響不大。

1.4風(fēng)載雪載共同作用下的有限元分析

最后再對(duì)風(fēng)載、雪載共同作用下的路燈進(jìn)行有限元分析。計(jì)算發(fā)現(xiàn)，路燈的最大變形發(fā)生在支架處，變形量為188.2 mm，最大應(yīng)力發(fā)生在蒙板1處，最大應(yīng)力為137.7 MPa，燈桿的最大應(yīng)力為82.1 MPa。說(shuō)明在風(fēng)載和雪載的共同作用下，路燈整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度符合要求。

1.5各種載荷的比較

下面給出各種工況下各部件的應(yīng)力與位移對(duì)比，表2所示為各部件最大應(yīng)力對(duì)比。

表2　各部件最大應(yīng)力對(duì)比　MPa

從應(yīng)力對(duì)比表2可以看出，雪載對(duì)路燈的影響不大，10 m太陽(yáng)能路燈在3種不同工況下工作時(shí)，高燈桿的最大應(yīng)力比矮燈桿的大。燈桿除了局部存在著應(yīng)力集中而使應(yīng)力值較大外，桿身絕大部分地方的應(yīng)力值均小于82.8 MPa，有一定的優(yōu)化空間。

表3　各部件最大位移對(duì)比　mm

從表3中位移可以看出，不同工況下位移值都有所不同，除了雪載，各種工況中高燈桿及支架的變形量都較大，其他地方變形量都比較小，變形的地方符合實(shí)際情況，結(jié)果比較合理。

2改進(jìn)設(shè)計(jì)

對(duì)10m太陽(yáng)能路燈的結(jié)構(gòu)分析可知，作為主要的承載部件，高燈桿、矮燈桿桿身及支架的強(qiáng)度、剛度影響著10m太陽(yáng)能路燈的使用壽命。為了在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化的目的，可以通過(guò)改變燈桿的壁厚來(lái)改變高桿燈的強(qiáng)度和剛度。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，對(duì)10m太陽(yáng)能路燈結(jié)構(gòu)提出的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案為：

將高燈桿、矮燈桿的壁厚由3.75 mm調(diào)整到3 mm，同時(shí)將電池板支架角鋼的壁厚由5 mm調(diào)整到3 mm。

將改進(jìn)后的10 m太陽(yáng)能路燈再次導(dǎo)入ABAQUS軟件進(jìn)行分析，得到路燈各部分的應(yīng)力、位移云圖。表4所示為路燈優(yōu)化前后各部件最大應(yīng)力的對(duì)比。

表4　優(yōu)化前后各部件最大應(yīng)力對(duì)比　MPa

由表4可知，優(yōu)化后路燈的應(yīng)力有所增大，但還處于許用應(yīng)力范圍內(nèi)。燈桿最大應(yīng)力在高燈桿處為104.0 MPa，其局部應(yīng)力放大圖如圖3所示。雖然此時(shí)路燈最大應(yīng)力較許用應(yīng)力還有一定差距，理論上還可以再進(jìn)行優(yōu)化，但是考慮到材料的疲勞以及軟件分析的理想化，不再進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。

圖3　燈桿應(yīng)力圖

3結(jié)論

通過(guò)對(duì)10m太陽(yáng)能路燈在風(fēng)載、雪載以及自身重力作用下的有限元分析，得出路燈各個(gè)部件的主要應(yīng)力與位移情況，并對(duì)構(gòu)件的最大應(yīng)力進(jìn)行了分析。最后，對(duì)路燈燈桿進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后兩個(gè)燈桿的應(yīng)力有所增大，但仍小于許用應(yīng)力，位移前后變化不大，都符合要求，優(yōu)化效果比較理想。

參考文獻(xiàn):

[1] 吳國(guó)楚. 太陽(yáng)能路燈的工作原理及設(shè)計(jì)[J]. 青?？萍?2010(5):114-115.

[2] 許嘉梁. 太陽(yáng)能與太陽(yáng)能路燈應(yīng)用[J]. 燈與照明,2008,32(2):28-30.

[3] 扈志遠(yuǎn),王松,王曉陽(yáng),等. 中國(guó)太陽(yáng)能路燈研究綜述[J]. 綠色科技,2011，(5):195-198.

[4] 梁富文. 高桿燈燈桿設(shè)計(jì)的力學(xué)分析[J]. 機(jī)電工程技術(shù),2013,42(5):114-116.

[5] 石聽安. 高桿燈承受最大風(fēng)載荷時(shí)緊固地腳螺栓的拉力計(jì)算[J]. 燈與照明, 2002, 26(4):53-54.

[6] 許基朵. 太陽(yáng)能路燈照明系統(tǒng)的受力分析與強(qiáng)度校核[J]. 科協(xié)論壇, 2009，(2): 105.

歡迎投稿歡迎刊登廣告歡迎訂閱

Finite Element Analysis of 10 m Solar Street Light Pole

XI Mei-lei1，ZHU Cheng-hu2，GONG Jun-jie1, ZHOU Huan1

(1. College of Mechanical Engineering，Yangzhou University，Yangzhou 225127，China;

2. Longt Lighting Group Co.，LTD.,Yangzhou 225652 ,China)

Abstract:Compared with the ordinary street lamp, the light pole stress of solar street lamp is more susceptible to weather resisting property, because of its larger windward area of solar panels. In this paper, ABAQUS finite element software is used to analyse the stress and deformation of 10m solar street lamps components under the wind load, snow load and its own gravity applied on the light pole. To ensure its safety, stiffness and strength, its design is improved and optimized by changing the thickness of light pole and support for solar street light.

Keywords:solar street lamp; light pole; finite element analysis; improved design

收稿日期：2014-12-25

中圖分類號(hào)：TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1671-5276(2015)03-0110-03

作者簡(jiǎn)介：席美蕾(1988-)，女，陜西銅川人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)與理論。