基于Creo的非標光伏支架快速建模和優化*

韓邢峰

(安徽工業經濟職業技術學院 機械與汽車工程學院，安徽 合肥 230051)

隨著碳中和以及碳達峰的目標不斷提出，各地對光伏等新能源產業不斷支持。各地的光伏相關行業也制作了各種非標支架，但是因為沒有響應的技術能力，建設的光伏系統不一定滿足要求，所以需要在驗收之前對其進行三維建模，并仿真驗證其是否滿足結構強度要求。因為各類光伏支架所用型材不同，三角架的組合形式不同，時間要求緊迫，所以在前端輸入支架簡單的相關信息之后，需要對現場的支架信息進行快速準確的三維重構和結構仿真優化，以便于盡快指導現場施工。

非標支架的結構類型多種多樣，每個廠家生產的三角架也可能都不同，所用的型材種類和尺寸也不同。對于三維建模重構來說，需要繪制多種數模，這會造成數模繪制耗費時間較長。所以在三維重構中用到了一些系統化自上而下[1-2]的思路，以及針對非標支架快速建模的可復制零件的模塊化思路。

1 快速建立模型

1.1 整體建模思路

從前端的非標支架相關信息輸入，到將相關信息轉換為三維模型，最后到導入仿真軟件進行結構強度校核和優化結構以達到滿足強度要求的效果，整個過程需要經過一系列處理流程(見圖1)。

1.2 三維建模過程

1.2.1 前端輸入支架相關信息

前端輸入支架的一些關鍵尺寸，所用型材的尺寸信息，基本信息為一戶電站的支架信息，該戶支架為一樓頂和二樓頂施工的跨樓層支架，所采用的型材為60×40×2矩形管、40×40×2矩形管、62×41×2.5C型鋼、30×30×2的角鋼等型材，有的型材甚至多達十幾種長度、多種類型支架以及多種連接方式。

1.2.2 建立基本零件庫

根據前端輸入的支架信息，統計出基本的型材；分別繪制60×40×2矩形管、40×40×2矩形管、62×41×2.5C型鋼、30×30×2的角鋼長度為1 000 mm的三維數模，以及對前期的支架中的子裝配稍加修改得到的組件陣列、螺栓、水泥墩等基本的零件和子裝配件。

圖1 整體處理流程圖

1.2.3 構建數模裝配體和三角架骨架模型

采用Top-Down[3-4]系統設計思路，將前端輸入轉換為設計信息，再將設計信息轉換成三維模型的整體框架信息，理清整個三維裝配體的所有零部件的父子和繼承關系，方便模型中的信息共享和后期維護。相較于傳統的先繪制所有零部件再裝配為整體的設計流程，Top-Down系統設計思路更有利于數模設計時的信息有效傳遞、繪制過程中的更改和維護。

首先構建類似圖2所示的支架裝配體框架，通過自上而下系統的框架搭建，方便后期裝配和數模修改維護。然后在Creo中搭建數模的基本框架，自上而下的框架和構思的裝配體框架對應。

根據前端輸入的尺寸，首先在三角架的裝配體中繪制一個三角架的基本的骨架模型，通過骨架模型及一些參照平面的建立，可以讓后面零部件的裝配依照骨架模型中的一些基準平面、基準軸和基準點來裝配，并且可以確定前端輸入時沒有給出的一些型材長度。

骨架模型的建立，如果后期需要修改裝配體中零件的相對位置時，可以只修改骨架草繪中的參數，不需要調整支架零件之間的裝配。

1.2.4 修改基本零件尺寸并裝配到三角架裝配體中

根據1.2.3中所得到的型材長度尺寸，更改1.2.2中繪制好的基本零件庫中的零件長度為三角架所需要的尺寸；更改零件尺寸時，不要更改基本零件庫中的文件，尺寸更改完成后，需要在會話中重命名后另存為備份文件(方便后期反復更改)。將更改到合適尺寸的零件依據骨架模型中已經建立好的參照平面來裝配[5]。三角架裝配圖如圖3所示。

圖3 三角架裝配圖

1.2.5 依次構建三角架模型并裝配成總成模型

根據1.1.4的方式逐步建立所有的三角件模型，裝配出所有的支架框架。將支架的零件庫中的組件陣列裝配體裝配到支架框架中，同時將所有的壓塊和緊固件子裝配也裝配到總裝數模中去(見圖4)。

圖4 三角架整體裝配圖

根據整體支架框架數模，將其中的外圍尺寸作為參考，在裝配體中快速繪制房屋結構，盡可能還原出支架所處的環境情況(見圖5)。

圖5 周圍環境裝配圖

1.2.6 基于總成模型的干涉檢測

產品裝配設計的干涉檢測目標是：提高裝配質量，降低仿真時的網格劃分出錯機率。其具體目標為在功能確定的條件下，具有最優的零部件定位方案和最少的裝配調整操作。進行干涉檢測主要是對裝配關系進行檢測，在Creo軟件中，全局干涉檢測的操作步驟為：分析→檢查幾何→全局干涉。進而觀察計算結果，若存在干涉，則需要回頭修改骨架模型或者通過一些模型修改以求最終的無干涉。

如果需要快捷地修改干涉的數模以求無干涉，可以采用在裝配體中切除干涉部分的方式來實現，具體操作步驟為：模型→元件→元件操作→切除→選取被修改切除的零件→選取作為切除刀具的零件。

本文中的總成模型經全局干涉檢測后，并無干涉存在，證明各個零件在各方向上相對距離合理，滿足裝配和仿真的要求。

2 結構仿真與優化

2.1 初步仿真

由于該支架主要承受正向來風和背向來風，側面來風幾乎不影響支架，因此只需分析正向來風和背向來風時的情況。首先分析正向來風，即將0.85 kN/m2的風載荷施加在光伏板的前表面，固定支承設置根據實際情況將相關位置進行固定[6-7]。

圖6所示為原始的整體應力云圖，最大應力位于第2根立柱與斜梁的鉸接處，最大應力值為369.3 MPa，遠大于型材屈服極限(235 MPa)，立柱的螺栓孔有破壞的風險，因此該支架方案不滿足強度要求，需要采取加固措施。

圖6 整體支架的應力云圖

2.2 結構優化加強并仿真

根據對原始模型的仿真計算，有針對性地進行加固，加固方案如圖7所示，圖中標出了所要增加的部件，在第2根立柱處增加一根40 mm×40 mm×2.5 mm的矩形管，連接方式為一端與斜梁通過連接件螺栓聯接，另一端與立柱焊接，數量共4根，將加固好的支架模型在此進行正向來風時的仿真計算。

圖7 加固后的支架模型

正向來風時，加固的模型的應力云圖如圖8所示。最大應力位于第3根立柱與斜梁的鉸接處，最大應力值為198.42 MPa，小于型材屈服極限(235 MPa)，因此，支架的加固方案滿足強度要求。

圖8 加固模型正向來風時的應力云圖

將加固后的模型進行背向來風時的結構仿真計算。背向來風時，加固的模型的應力云圖如圖9所示。最大應力位于第3根立柱與斜梁的鉸接處，最大應力值為189.37 MPa，小于型材屈服極限(235 MPa)，因此，支架的加固方案滿足強度要求，安全可靠。

圖9 加固模型背向來風時的應力云圖

3 結語

通過上述研究可以得出如下結論。

1)自上而下系統化的建模思路，將前端一些非標支架的信息輸入轉換成支架整體的框架搭建，然后逐層建立裝配體框架，在搭建好基本系統框架后，再從最基本的三角架的子裝配單元中建立骨架模型，在骨架模型中繪制三角架的基本骨架二維信息，建立起后期裝配會用到的參照平面、參照軸和參照點。系統化的思路在建模初期的支架總成框架搭建時起到了關鍵作用，也為后期系統維護和修改提供了一個方便快捷的平臺。

2)通過模塊化的思路將依次建立好的模塊化的基本零部件和子裝配依次從三角架開始裝配，到支架框架的裝配，再到支架總體的轉配，直至系統總成裝配完成。建立一個基本的零件庫和子裝配來完成模塊化的基礎構建，之后再調用修改這些模塊化的零部件，達到高效、便捷的效果。

3)通過本文方法可以針對形式各異的非標支架，甚至在前期輸入不足的情況下，快速、有效地建立支架的三維模型，同時也方便后期在一些前端信息修改的情況下對數模的整體修改維護。

4)支架的結構優化需要根據仿真結果有針對性的加強，對于仿真應力云圖中應力值明顯大于材料的屈服極限的位置，需要適當增加一些輔助支承，分擔和卸下一部分力，以達到結構加強的效果。通過優化仿真得到最終滿足結構強度要求的支架方案，指導現場施工，更好地為實現碳達峰的目標貢獻力量。