太陽(yáng)能路燈的動(dòng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)性能分析

謝紅龍，尹振坤，王 婷，項(xiàng)佰川，王興慶，薛 河

（1.西安科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西西安 710054；2.深圳源創(chuàng)智能照明公司，廣東深圳 518000）

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)對(duì)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的大力扶持，2016年，并網(wǎng)太陽(yáng)能發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量增長(zhǎng)80.6%[1]，與此同時(shí)，作為光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)重要的組成部分的太陽(yáng)能路燈產(chǎn)業(yè)也在不斷發(fā)展壯大。太陽(yáng)能路燈的太陽(yáng)能板等占據(jù)較大空間，在遭遇強(qiáng)臺(tái)風(fēng)等極端天氣時(shí)，由于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足而失效的情況時(shí)有發(fā)生[2]。因此，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析是非常有必要的。

此次研究的太陽(yáng)能路燈正處于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的初級(jí)階段，通過(guò)有限元模擬分析可以為接下來(lái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供可靠的設(shè)計(jì)依據(jù)。

該研究具體內(nèi)容分為靜力學(xué)分析和模態(tài)分析。靜力學(xué)分析主要研究該型太陽(yáng)能路燈在自身重力及特定風(fēng)力共同作用下結(jié)構(gòu)的von Mises應(yīng)力及位移分布情況，以確定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度是否滿(mǎn)足特定的工作環(huán)境；模態(tài)分析主要研究整體結(jié)構(gòu)各階次下的固有頻率，以確定風(fēng)的激勵(lì)頻率是否會(huì)引發(fā)整體結(jié)構(gòu)發(fā)生共振。

1 有限元模型的建立

路燈燈桿高H=10m，外伸桿長(zhǎng)度L=1.2m，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 太陽(yáng)能路燈模型Fig.1 Modelofthe solarstreetlampe

1.1 載荷的加載

該型太陽(yáng)能路燈主要受到自身重力及風(fēng)力的作用。如圖2所示即為載荷示意圖。

圖2 風(fēng)壓、重力及扭矩的加載示意圖Fig.2 Wind pressure,gravity and torque loading diagram

路燈安裝在深圳地區(qū)，在該地區(qū)50年一遇風(fēng)力約為12級(jí)風(fēng)，有限元模型中風(fēng)速設(shè)定為v0=35 m/s，可由基本風(fēng)壓計(jì)算公式算得基本風(fēng)壓[3]：

當(dāng)ρ空氣=1.23 kg/m3時(shí)，W0=750 Pa。

根據(jù)GB50009-2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，風(fēng)荷載計(jì)算公式為:

式中：βgz為陣風(fēng)系數(shù)，考慮到瞬時(shí)風(fēng)比平均風(fēng)大而乘的系數(shù)，以βgz=1+0.7(H/10)-0.15確定；μs為結(jié)構(gòu)體形系數(shù)，描述的是物體表面在穩(wěn)定風(fēng)壓作用下的靜態(tài)壓力的分布規(guī)律，此處可以考慮用類(lèi)比的方法，根據(jù)《規(guī)范》，取值0.8；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，反映風(fēng)壓隨不同地貌和高度變化規(guī)律的系數(shù)，以μz=(H/10)0.3確定[4]。

將基本風(fēng)壓代入風(fēng)載荷計(jì)算公式內(nèi)，可算得加載在太陽(yáng)能路燈上的加載風(fēng)壓Wk=1 020 Pa。

整體質(zhì)量為m=220 kg，所以路燈自身重力G=mg=2 156 N，由側(cè)面迎風(fēng)面面積S=0.35 m2和外伸桿長(zhǎng)度L，可得到扭矩T=Wk·S·L=428 N·m。

1.2 材料屬性

模型中共設(shè)置5種不同的材料，各材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)Tab.1 Materialparameters

1.3 網(wǎng)格的設(shè)置

在有限元模型中網(wǎng)格的劃分及單元類(lèi)型的設(shè)置至關(guān)重要[5]，對(duì)于過(guò)于復(fù)雜的模型，采用四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其網(wǎng)格設(shè)置為C3D10單元，即10節(jié)點(diǎn)四面體二次單元；對(duì)于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的部件，以六面體單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)化或掃掠網(wǎng)格劃分，其網(wǎng)格設(shè)置為C3D8R單元，即8節(jié)點(diǎn)六面體線性縮減積分單元[6-7]。網(wǎng)格單元的設(shè)置情況如表2所示。

表2 網(wǎng)格單元的設(shè)置Tab.2 Setofthe grid cells

2 靜力學(xué)分析

當(dāng)風(fēng)力和重力共同作用在太陽(yáng)能路燈上時(shí)，由圖3可知，最大von Mises應(yīng)力出現(xiàn)在燈桿外伸桿的彎頭部位，von Mises應(yīng)力值為179 MPa；最大位移出現(xiàn)在太陽(yáng)能板的最頂端，位移為98 mm。圖4為扭矩和重力共同作用下的von Mises應(yīng)力及位移云圖，由于該型太陽(yáng)能路燈側(cè)面受力面積相對(duì)較小，使得最大von Mises應(yīng)力為52 MPa，出現(xiàn)在支撐桿與主桿連接區(qū)域，最大位移出現(xiàn)在LED燈箱上，最大位移值為35 mm。

圖3 風(fēng)力和重力作用下的應(yīng)力及位移云圖Fig.3 The stress and displacementcloud chartunder wind pressure and gravity

圖4 扭矩和重力作用下的應(yīng)力及位移云圖Fig.4 The stress and displacementcloud chartundertorque and gravity

考慮到Q235鋼的極限應(yīng)力值為235 MPa，根據(jù)GB50135-2006《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》可知最小安全系數(shù)選不應(yīng)小于1.2，安全系數(shù)為1.2時(shí)的許用應(yīng)力為195 MPa，路燈許用撓度是燈桿總高度的5%，即500 mm，因此這種環(huán)境下有限元計(jì)算的結(jié)果完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3 模態(tài)分析

該型太陽(yáng)能路燈整體結(jié)構(gòu)的前6階固有頻率如表3所示，前6階振型圖如圖5所示。第1階固有頻率為2.196 Hz，第2階固有頻率為2.315 Hz，而風(fēng)的激勵(lì)頻率為1.5 Hz左右，這就意味著當(dāng)風(fēng)的激勵(lì)頻率達(dá)到1.5 Hz過(guò)程中不會(huì)達(dá)到該型太陽(yáng)能路燈的固有頻率，因此在該工作環(huán)境下整體結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。

表3 前6階固有頻率Tab.3 Firstsix ordernaturalfrequency

圖5 前6階振型圖Fig.5 Firstsix ordervibration charts

4 結(jié)論

（1）太陽(yáng)能路燈整體結(jié)構(gòu)在50年一遇風(fēng)力和自身重力共同作用下最大von Mises應(yīng)力及最大位移量都符合具體的設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度完全滿(mǎn)足設(shè)定的工作環(huán)境；

（2）模態(tài)分析結(jié)果表明該型太陽(yáng)能路燈的第1階固有頻率大于工作環(huán)境中風(fēng)的激勵(lì)頻率，因此不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。