太陽能光伏支架受力特征的限元研究

楊松

摘 要：隨著科學技術不斷的發展進步，在一定程度上推動太陽能光伏支架設計研發領域的發展。太陽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件。本文主要立足于ANSYS有限元軟件對太陽能光伏支架設計方案進行位移場、應力場數值仿真分析。在實際分析過程當中，充分的將自身內部結構中的空間效應，合理的通過晶粒細化技術，進而提高材料的力學性能，為其提供了立足于有限元角度進行太陽光伏支架的鋼材型號優選方法。

關鍵詞：太陽能；光伏支架；受力特征；限元研究；分析總結

中圖分類號：TM615 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）15-0054-02

前言

隨著我國一些較高性能的計算機工作站的出現，和數值試驗方法的普及，使得數值仿真受到各界人士的重視。因為數值仿真自身擁有較多優勢特點，具體包括：適用范圍廣泛、較強方便快捷性、靈活性能較高、節省大量人、物、財力、安全穩定性能較高等。在我國各個領域中廣泛的應用，例如：航空、汽車、醫學、建筑、機械、運動器械等領域。目前，我國常用的一些數值仿真有限元軟件有ANSYS[1]、ADINA[2]、ABAQUS[3]、FLAC[4]，是將其應用在空間結構中的位移、應力、溫度場等仿真分析過程中。

1 ANSYS梁單元簡介

ANSYS軟件主要是為其提供不同種類的梁單元，具體包括BEAM3，BEAM4，BEAM23，BEAM188等幾種，在我國實際開展結構分析過程中，普遍使用的是BEAM4，BEAM188這兩種梁單元。BEAM4單元自身主要是建立在Euler-Bernoulli理論之上形成的一種梁單元，在假定這種梁單元的梁橫截面為剛性平面，那么這時的彎矩則呈現出線性變化，是不能夠考慮橫向剪切變形的影響[1]。

BEAM188梁單元是建立在Timoshenko理論之上，逐漸形成的一種梁單元，BEAM188這種梁單元是可以優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梁單元與BEAM4單元之間進行對比，EAM188梁單元所具有的單元功能相對全面些。目前我國常見的一些太陽能光伏支架中的主、次梁，使用的都是槽鋼[2]。

2 有限元模型

本文所設計方案的背景主要是基于一種1MW HIMOER光伏支架來進行設計，在這組太陽能光伏支架當中，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相同的扣夾與次梁之間進行連接而成。整個板下共有4根次梁對其進行支撐，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根主梁當中。通過利用ANSYS前處理模塊，是能夠有效的創建出有限元模型[3]。簡單來講，這里的光伏板殼單元在其中發揮的作用，主要是受到自重、風、雪荷載，這三種不同類型下的荷載發揮的作用。

3 結果分析

3.1 位移場分析結果

對太陽能支架次梁位移場進行計算的過程中，次梁光伏板是能夠均勻的在荷載作用之下，使其主梁對其產生的約束位移，呈現出較小的狀態，跨中截面位移顯示的結果來看，是相對較大，這其中最大的撓度則為11mm，是存在于跨中截面當中。不同次梁的兩端，因受到來自光伏板以及各個主梁，對其產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。這個方案所計算的結果是完全滿足，我國在對連續梁在均布荷載作用之下的位移分布規律提出的標準。

此外，將一些受彎構件的撓度方面，也是合理的控制在規定的范圍之內。所以，在本文所采用的次梁HM-72槽鋼型號，是完全符合我國規范下，提出的實質要求。當次梁不斷的對主梁傳遞集中荷載情況下，這時的主梁自身所承受的荷載量也是相對較大些，意味著主梁位移的最大值是體現在該梁跨中截面中。但是由于主梁在進行跨中截面時，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范下的要求，可以優先考慮使用HM-52型號的槽鋼[3]。

3.2 應力場分析結果

對太陽能光伏支架的次梁、主梁進行應力計算的過程時，由于次梁的跨中截面應力，是呈現出上壓下拉的形式，次梁的支座處截面應力則呈現出上拉下壓的形式。那么，對光伏板在對次梁在變形過程當中所產生的較強空間約束作用的角度考慮分析，得出太陽能光伏支架中的次梁拉應力數字最大的情況，是在支座的上側中為128MPa，而跨中最大拉應力值則僅僅只有68MPa左右。站在數值的角度來看，是明顯的要比，在不將光伏板自身的剛度考慮在內的最大應力值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的反映出不同截面中的應力分布狀態，并精準的對不同結構中的最大拉應力的位置進行定位。在進行實際計算的過程當中，將一些復雜情況和邊界條件考慮在內，也是能夠為整個太陽能光伏支架在設計的過程中，提供全方位位移和全方位應力重要參考數據[4]。

3.3 抗傾覆分析結果

這里只是將風荷在作用下，所產生的一些傾覆的不利工況進行考慮，將風荷載值設定在0.57kN/m2，太陽能光伏板的自重是在整個結構當中占據著重要的地位，對整體結構有利。所以應當將光伏板自重的范圍值設定在0.12kN/m2。根據結果顯示，太陽能光伏支架的中主梁與中主柱交接處最大的拉應力呈現出48MPa，而太陽能光伏支架中的邊主梁與邊主柱交接處，最大的拉應力為47MPa。

不管是中主梁與中主柱交接，還是邊主梁與邊主柱交接，兩者的拉應力都小于鋼材自身的抗拉強度。在本文所闡述的構件連接方面，采取使用的都是扣夾承載力為中扣夾抗拉承載力的10kN，在風荷載對其產生的作用之下，就會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，而這時兩者的拉應力是一定會小于扣夾抗拉承載力的。得出結論在處于風荷載不利工況的背景之下，機構自身的抗傾覆驗算還是有著一定程度上的安全和穩定性。

3.4 不同型號的槽鋼在位移、應力方面的分析結果

文本中主要是以太陽能光伏支架中的次梁為研究對象，分別構建出不同型號下的太陽能光伏支架次梁的最大撓度以及拉應力（表1）。

4 結語

數值仿真與理論分析、試驗研究三種，都是結構分析中的主要方式之一，是可以進行計入空間效應下的原型模型研究來的，進而能夠為相關的工程在進行設計的過程當中提供一些可靠的參考依據。本文主要是通過構建太陽能光伏支架中的次梁、主梁的空間有限元模型，并對其不斷的全方位的位移、應力、仿真場進行實時測試，最后在針對不同型號下的槽鋼次梁進行計算分析，從而為其合理的提供關于太陽能光伏支架受力特征下的有限元槽鋼型號的選擇。

參考文獻

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

[2]畢金鋒，平曈其，吳雪萍，羅先啟.剛察扎蘇太陽能光伏支架受力特征的限元設計，伏電站固定可調支架發電效益分析[J].實驗室研究與探索，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能光伏支架結構設計與優化[J].吉林化工學院學報，2016，03：39-44.

[4]徐東，張洪信，高雷，周美施.青島市太陽能光伏電站及其支架的限元設計[J].青島大學學報（工程技術版），2016，02：59-64+70.endprint