某太陽能路燈的失效原因分析

馬小康

（長安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710064）

0 引言

隨著新能源的不斷開發(fā)和利用， 太陽能電池作為一種新型能源倍受矚目，一方面無污染，而另一方面它取之不盡，用之不竭[1]。 太陽能路燈是基于太陽能電池的一種照明工具，并利用太陽能電池的光伏特效應(yīng)工作[2]。 太陽能路燈作為一種新型照明工具[3]，其發(fā)展時間較短，尤其是對于太陽能路燈在力學(xué)方面的有限元分析更是稀缺，筆者利用ABAQUS[4]有限元分析軟件，進(jìn)行受力分析，找出路燈失效的部分原因，進(jìn)而保證其結(jié)構(gòu)更加安全可靠，減少對其日常檢修的次數(shù)。

1 路燈燈桿的有限元分析

1.1 有限元模型的建立

太陽能路燈由地基、法蘭、螺栓、燈桿、燈頭、太陽能支架、電池板及電池板支架組成。 通過solidworks 軟件建立路燈模型之后，將其導(dǎo)入ABAQUS 有限元軟件進(jìn)行分析。具體模型如圖1 所示，進(jìn)一步簡化部分零件結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖1 太陽能路燈整體模型圖

圖2 螺栓的簡化

1.2 燈桿桿長變化的有限元分析

1.2.1 Mises 應(yīng)力結(jié)果分析

現(xiàn)針對三種不同長度的燈桿所對應(yīng)的太陽能路燈結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，來探究燈桿長度的變化對于太陽能路燈結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度產(chǎn)生的影響。 如圖3 所示。

圖3 太陽能組件整體受力云圖（MPa）

從上圖3 易知光伏板、 支架等位置所受受力比較小，由力變知識知，可以知道受力大的區(qū)域是在太陽能路燈光伏板與支架，支架與底座的連接位置，太陽能路燈光伏板與支架連接位置處6m 燈桿對應(yīng)的應(yīng)力為24MPa，8m 燈桿對應(yīng)的應(yīng)力為42MPa，10m 燈桿對應(yīng)的應(yīng)力為65MPa，最大應(yīng)力基本上呈等差數(shù)列增長。 因此，可換算出其它長度下結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值。

1.2.2 形變結(jié)果分析

圖4 太陽能路燈燈桿變形云圖（MPa）

由上圖4 可知，燈桿結(jié)構(gòu)類似于懸臂梁，自由端產(chǎn)生的變形最大， 根據(jù)理論力學(xué)知識可知為了增大結(jié)構(gòu)的剛度，建議在長度增大的情況下，同時增大燈桿的壁厚[5]。 避免出現(xiàn)燈桿的屈曲現(xiàn)象。

1.3 燈桿壁厚變化的有限元分析

1.3.1 Mises 應(yīng)力結(jié)果分析

圖5 太陽能組件整體受力云圖（MPa）

從上圖5 易知光伏板、 支架等位置所受受力比較小，根據(jù)上圖片所示與所學(xué)的力變知識， 可以知道受力大的區(qū)域是在太陽能路燈光伏板與支架， 支架與底座的連接位置，應(yīng)力集中較大的部分在底座和螺栓的連接處，以及立桿的內(nèi)外兩側(cè)部位。 其中2.5mm 太陽能路燈燈桿結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為46MPa，3.0mm 燈桿結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為36MPa，3.5mm 燈桿結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為33MPa。 燈桿的厚度直接影響其承載面積的大小， 太陽能路燈燈桿壁厚越小，承載面積越小，所以其所受到的應(yīng)力就會越大。

1.3.2 形變結(jié)果分析

圖6 太陽能路燈燈桿變形云圖（MPa）

如圖6 所示，燈桿結(jié)構(gòu)類似于懸臂梁，自由端產(chǎn)生的變形最大。同理，3.5mm 燈桿的剛度最大，2.5mm 燈桿的剛度最小，增大燈桿的厚度能顯降低整體結(jié)構(gòu)的變形。 燈桿的厚度越大，架構(gòu)的變形越小。

1.3.3 origin 數(shù)據(jù)處理

通過origin 數(shù)據(jù)分析可知到三種桿長、壁厚底座周圍應(yīng)力的變化，如圖7、圖8 所示。

從圖7 可知，10m 長度燈桿應(yīng)力集中情況顯著大于8m 和6m，隨著離端部距離的增大，燈桿的應(yīng)力逐漸降低。因此，燈桿的設(shè)計可以采用底部粗、上部細(xì)的結(jié)構(gòu)，在保證結(jié)構(gòu)安全的情況下，最大限度的降低結(jié)構(gòu)的成本。

圖8 不同壁厚對應(yīng)力集中的影響

從圖8 可知，3.0mm 厚度的燈桿最具有經(jīng)濟(jì)性和安全性。 燈桿的壁厚越大， 結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度剛度和穩(wěn)定性越好，但是在滿足強(qiáng)度要求的情況下，壁厚越小，太陽能路燈的成本越小。

2 結(jié)論

本論文主要對太陽能路燈在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下的受力情況進(jìn)行討論，最終發(fā)現(xiàn)：

1）從Mises 應(yīng)力圖中可以看到，太陽能板等組件在整體上受力不大。 根據(jù)分析結(jié)果和基本的力學(xué)知識可以得出較大的應(yīng)力集中位于支架和底座鏈接的螺栓處，桿長和壁厚是影響太陽能路燈壽命的兩個重要因素， 桿長越短，壁厚越厚，則整個太陽能路燈的受力愈加合理，安全可靠性得到提高。

2）隨著燈桿壁厚的增大，它自身結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度剛度和穩(wěn)定性越好，壁厚越小，其應(yīng)力集中現(xiàn)象愈發(fā)明顯，燈桿部分的應(yīng)力集中較大部分在底座和螺栓的鏈接處以及立桿的內(nèi)外兩側(cè)部位。

3）隨著燈桿長度的增大，它自身結(jié)構(gòu)的剛度呈倍數(shù)降低，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越差，燈桿部分的應(yīng)力集中較大部分在底座和螺栓的鏈接處以及立桿的內(nèi)外兩側(cè)部位。