太陽(yáng)能光伏支架受力特征的限元研究

楊松

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)不斷的發(fā)展進(jìn)步，在一定程度上推動(dòng)太陽(yáng)能光伏支架設(shè)計(jì)研發(fā)領(lǐng)域的發(fā)展。太陽(yáng)能光伏支架主要是由次梁、主梁以及支撐柱共同組成的空間構(gòu)件。本文主要立足于ANSYS有限元軟件對(duì)太陽(yáng)能光伏支架設(shè)計(jì)方案進(jìn)行位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值仿真分析。在實(shí)際分析過程當(dāng)中，充分的將自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的空間效應(yīng)，合理的通過晶粒細(xì)化技術(shù)，進(jìn)而提高材料的力學(xué)性能，為其提供了立足于有限元角度進(jìn)行太陽(yáng)光伏支架的鋼材型號(hào)優(yōu)選方法。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；光伏支架；受力特征；限元研究；分析總結(jié)

中圖分類號(hào)：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）15-0054-02

前言

隨著我國(guó)一些較高性能的計(jì)算機(jī)工作站的出現(xiàn)，和數(shù)值試驗(yàn)方法的普及，使得數(shù)值仿真受到各界人士的重視。因?yàn)閿?shù)值仿真自身?yè)碛休^多優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，具體包括：適用范圍廣泛、較強(qiáng)方便快捷性、靈活性能較高、節(jié)省大量人、物、財(cái)力、安全穩(wěn)定性能較高等。在我國(guó)各個(gè)領(lǐng)域中廣泛的應(yīng)用，例如：航空、汽車、醫(yī)學(xué)、建筑、機(jī)械、運(yùn)動(dòng)器械等領(lǐng)域。目前，我國(guó)常用的一些數(shù)值仿真有限元軟件有ANSYS[1]、ADINA[2]、ABAQUS[3]、FLAC[4]，是將其應(yīng)用在空間結(jié)構(gòu)中的位移、應(yīng)力、溫度場(chǎng)等仿真分析過程中。

1 ANSYS梁?jiǎn)卧?jiǎn)介

ANSYS軟件主要是為其提供不同種類的梁?jiǎn)卧?，具體包括BEAM3，BEAM4，BEAM23，BEAM188等幾種，在我國(guó)實(shí)際開展結(jié)構(gòu)分析過程中，普遍使用的是BEAM4，BEAM188這兩種梁?jiǎn)卧EAM4單元自身主要是建立在Euler-Bernoulli理論之上形成的一種梁?jiǎn)卧?，在假定這種梁?jiǎn)卧牧簷M截面為剛性平面，那么這時(shí)的彎矩則呈現(xiàn)出線性變化，是不能夠考慮橫向剪切變形的影響[1]。

BEAM188梁?jiǎn)卧墙⒃赥imoshenko理論之上，逐漸形成的一種梁?jiǎn)卧?，BEAM188這種梁?jiǎn)卧强梢詢?yōu)先考慮橫截面的剪切變形，自身支持豐富的模型特性，例如：變形、黏彈塑性、非線性。將BEAM188梁?jiǎn)卧cBEAM4單元之間進(jìn)行對(duì)比，EAM188梁?jiǎn)卧哂械膯卧δ芟鄬?duì)全面些。目前我國(guó)常見的一些太陽(yáng)能光伏支架中的主、次梁，使用的都是槽鋼[2]。

2 有限元模型

本文所設(shè)計(jì)方案的背景主要是基于一種1MW HIMOER光伏支架來進(jìn)行設(shè)計(jì)，在這組太陽(yáng)能光伏支架當(dāng)中，是由10塊不同的光伏板組合而成，每塊光伏板的尺寸約為1640mm×992mm×40mm，每塊光伏板是由四個(gè)相同的扣夾與次梁之間進(jìn)行連接而成。整個(gè)板下共有4根次梁對(duì)其進(jìn)行支撐，次梁的表面通常是采用熱鍍鋅鋼C型鋼槽，然后在合理的通過扣夾的形式，將4根次梁支撐在3根主梁當(dāng)中。通過利用ANSYS前處理模塊，是能夠有效的創(chuàng)建出有限元模型[3]。簡(jiǎn)單來講，這里的光伏板殼單元在其中發(fā)揮的作用，主要是受到自重、風(fēng)、雪荷載，這三種不同類型下的荷載發(fā)揮的作用。

3 結(jié)果分析

3.1 位移場(chǎng)分析結(jié)果

對(duì)太陽(yáng)能支架次梁位移場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算的過程中，次梁光伏板是能夠均勻的在荷載作用之下，使其主梁對(duì)其產(chǎn)生的約束位移，呈現(xiàn)出較小的狀態(tài)，跨中截面位移顯示的結(jié)果來看，是相對(duì)較大，這其中最大的撓度則為11mm，是存在于跨中截面當(dāng)中。不同次梁的兩端，因受到來自光伏板以及各個(gè)主梁，對(duì)其產(chǎn)生的空間約束作用下，使得次梁的豎向位移變的較小只有近0.07mm左右。這個(gè)方案所計(jì)算的結(jié)果是完全滿足，我國(guó)在對(duì)連續(xù)梁在均布荷載作用之下的位移分布規(guī)律提出的標(biāo)準(zhǔn)。

此外，將一些受彎構(gòu)件的撓度方面，也是合理的控制在規(guī)定的范圍之內(nèi)。所以，在本文所采用的次梁HM-72槽鋼型號(hào)，是完全符合我國(guó)規(guī)范下，提出的實(shí)質(zhì)要求。當(dāng)次梁不斷的對(duì)主梁傳遞集中荷載情況下，這時(shí)的主梁自身所承受的荷載量也是相對(duì)較大些，意味著主梁位移的最大值是體現(xiàn)在該梁跨中截面中。但是由于主梁在進(jìn)行跨中截面時(shí)，跨度較小的原因，致使主梁的豎向位移的最大值也僅僅約為2mm左右，為了能夠在最大限度上使其符合規(guī)范下的要求，可以優(yōu)先考慮使用HM-52型號(hào)的槽鋼[3]。

3.2 應(yīng)力場(chǎng)分析結(jié)果

對(duì)太陽(yáng)能光伏支架的次梁、主梁進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算的過程時(shí)，由于次梁的跨中截面應(yīng)力，是呈現(xiàn)出上壓下拉的形式，次梁的支座處截面應(yīng)力則呈現(xiàn)出上拉下壓的形式。那么，對(duì)光伏板在對(duì)次梁在變形過程當(dāng)中所產(chǎn)生的較強(qiáng)空間約束作用的角度考慮分析，得出太陽(yáng)能光伏支架中的次梁拉應(yīng)力數(shù)字最大的情況，是在支座的上側(cè)中為128MPa，而跨中最大拉應(yīng)力值則僅僅只有68MPa左右。站在數(shù)值的角度來看，是明顯的要比，在不將光伏板自身的剛度考慮在內(nèi)的最大應(yīng)力值123MPa小的很多。

所以，合理的通過使用有限元仿真分析方式，能夠在很大程度上真實(shí)的反映出不同截面中的應(yīng)力分布狀態(tài)，并精準(zhǔn)的對(duì)不同結(jié)構(gòu)中的最大拉應(yīng)力的位置進(jìn)行定位。在進(jìn)行實(shí)際計(jì)算的過程當(dāng)中，將一些復(fù)雜情況和邊界條件考慮在內(nèi)，也是能夠?yàn)檎麄€(gè)太陽(yáng)能光伏支架在設(shè)計(jì)的過程中，提供全方位位移和全方位應(yīng)力重要參考數(shù)據(jù)[4]。

3.3 抗傾覆分析結(jié)果

這里只是將風(fēng)荷在作用下，所產(chǎn)生的一些傾覆的不利工況進(jìn)行考慮，將風(fēng)荷載值設(shè)定在0.57kN/m2，太陽(yáng)能光伏板的自重是在整個(gè)結(jié)構(gòu)當(dāng)中占據(jù)著重要的地位，對(duì)整體結(jié)構(gòu)有利。所以應(yīng)當(dāng)將光伏板自重的范圍值設(shè)定在0.12kN/m2。根據(jù)結(jié)果顯示，太陽(yáng)能光伏支架的中主梁與中主柱交接處最大的拉應(yīng)力呈現(xiàn)出48MPa，而太陽(yáng)能光伏支架中的邊主梁與邊主柱交接處，最大的拉應(yīng)力為47MPa。

不管是中主梁與中主柱交接，還是邊主梁與邊主柱交接，兩者的拉應(yīng)力都小于鋼材自身的抗拉強(qiáng)度。在本文所闡述的構(gòu)件連接方面，采取使用的都是扣夾承載力為中扣夾抗拉承載力的10kN，在風(fēng)荷載對(duì)其產(chǎn)生的作用之下，就會(huì)使得原本的接觸單元中的法向力朝向于2.64以及2.58kN改變，而這時(shí)兩者的拉應(yīng)力是一定會(huì)小于扣夾抗拉承載力的。得出結(jié)論在處于風(fēng)荷載不利工況的背景之下，機(jī)構(gòu)自身的抗傾覆驗(yàn)算還是有著一定程度上的安全和穩(wěn)定性。

3.4 不同型號(hào)的槽鋼在位移、應(yīng)力方面的分析結(jié)果

文本中主要是以太陽(yáng)能光伏支架中的次梁為研究對(duì)象，分別構(gòu)建出不同型號(hào)下的太陽(yáng)能光伏支架次梁的最大撓度以及拉應(yīng)力（表1）。

4 結(jié)語(yǔ)

數(shù)值仿真與理論分析、試驗(yàn)研究三種，都是結(jié)構(gòu)分析中的主要方式之一，是可以進(jìn)行計(jì)入空間效應(yīng)下的原型模型研究來的，進(jìn)而能夠?yàn)橄嚓P(guān)的工程在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程當(dāng)中提供一些可靠的參考依據(jù)。本文主要是通過構(gòu)建太陽(yáng)能光伏支架中的次梁、主梁的空間有限元模型，并對(duì)其不斷的全方位的位移、應(yīng)力、仿真場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)試，最后在針對(duì)不同型號(hào)下的槽鋼次梁進(jìn)行計(jì)算分析，從而為其合理的提供關(guān)于太陽(yáng)能光伏支架受力特征下的有限元槽鋼型號(hào)的選擇。

參考文獻(xiàn)

[1]王建民，劉亮球，施海仙，籍楚雄，焦兆弟.建筑一體化太陽(yáng)能光伏支架受力特征的限元設(shè)計(jì)及檢測(cè)解析[J].浙江建筑，2010，01：46-49+53.

[2]畢金鋒，平曈其，吳雪萍，羅先啟.剛察扎蘇太陽(yáng)能光伏支架受力特征的限元設(shè)計(jì)，伏電站固定可調(diào)支架發(fā)電效益分析[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2016，01：31-33+53.

[3]楊濤，范久臣，劉榮輝，張浩，賈雙林.基于有限元法的太陽(yáng)能光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J].吉林化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2016，03：39-44.

[4]徐東，張洪信，高雷，周美施.青島市太陽(yáng)能光伏電站及其支架的限元設(shè)計(jì)[J].青島大學(xué)學(xué)報(bào)（工程技術(shù)版），2016，02：59-64+70.endprint