基于ANSYS 的光伏支架受力分析

張學(xué)俊，劉錫麟，胡保濤

（中國水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041）

0 引言

光伏支架（solar panel bracket）是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中為放置、安裝和固定太陽能面板而設(shè)計(jì)的支架。自從我國提出碳達(dá)峰碳中和以來，光伏行業(yè)迎來了新的發(fā)展和機(jī)遇，光伏支架的需求也是逐漸增長[1]。在設(shè)計(jì)上，要做到安全適用、經(jīng)濟(jì)合理，應(yīng)符合GB 50017-2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[2]中有關(guān)規(guī)定，對光伏支架進(jìn)行有限元分析有助于結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的檢驗(yàn)和改進(jìn)及材料的合理應(yīng)用。

本文以光伏支架主體結(jié)構(gòu)為研究對象，利用SolidWorks 建立光伏支架三維模型，導(dǎo)入到ANSYS中，根據(jù)光伏支架在最不利的工況下，在光伏支架上添加恒荷載、風(fēng)荷載和雪荷載，同時還考慮了光伏支架的自重，對光伏支架進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到了光伏支架的應(yīng)變、應(yīng)力圖，對光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)受力情況進(jìn)行分析。

1 ANSYS 的前處理

1.1 ANSYS 有限元分析流程

有限元是把一個原來是連續(xù)的物體劃分為有限個單元，這些單元通過有限個節(jié)點(diǎn)相互連接，承受與實(shí)際荷載等效的節(jié)點(diǎn)載荷，根據(jù)力的平衡來進(jìn)行分析，根據(jù)變形的協(xié)調(diào)條件來把這些離散的單元組合起來進(jìn)行綜合求解的方法，其思想為離散化思想。基于ANSYS 的分析流程主要分為前處理、求解和后處理3 大步驟。前處理需要進(jìn)行建立和導(dǎo)入三維模型、材料的定義、網(wǎng)格的劃分；求解需要施加荷載和求解；后處理為查看計(jì)算結(jié)果、檢驗(yàn)結(jié)果的正確性和結(jié)構(gòu)分析，得出結(jié)論。此次結(jié)構(gòu)分析主要用到ANSYS 靜力學(xué)分析，計(jì)算時可以考慮線性和非線性的載荷施加，如大變形、大應(yīng)變、應(yīng)力剛化、接觸、蠕變和超彈性。對于簡單的三維模型可以用ANSYS中自帶的Geometry 進(jìn)行模型建立，但是較復(fù)雜的三維模型，用ANSYS 建立就比較難建，因此本次光伏支架分析采用SolidWorks 建立模型，建立的模型先導(dǎo)入Geometry 進(jìn)行加載和模型處理，并調(diào)整單位，注意的是光伏支架是裝配體，光伏支架中的每個零件必須為凍結(jié)狀態(tài)。之后在Model 中進(jìn)行處理，建立連接，進(jìn)行網(wǎng)格劃分、載荷施加、求解和后處理。

1.2 模型建立

SolidWorks 先建立一個個單獨(dú)的零件，零件基本尺寸參考《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》[3]，確定光伏支架截面尺寸，名稱規(guī)格如表1 所示，再根據(jù)尺寸和位置要求進(jìn)行裝配，從而控制重合、平行、垂直、同軸度。裝配體模型如圖1 所示，本次分析的光伏支架所有零件均為螺栓連接，立柱結(jié)構(gòu)為承插式，整體為坡度為27° 的2×14 承插式光伏支架，組件尺寸為2 278 mm×1 134 mm×35 mm,質(zhì)量為31.8 kg。

圖1 光伏支架模型

表1 光伏支架名稱規(guī)格表

1.3 材料屬性

光伏支架主體結(jié)構(gòu)采用S550,在光伏支架行業(yè)上目前采用S550 還是比較少，相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)鋼，大大的減輕了光伏支架的重量，且性能上更甚。光伏支架的材料屬性如表2 所示。

表2 光伏支架材料屬性表

1.4 網(wǎng)格劃分

光伏支架所選材料除螺栓之外，壁厚比較薄，且檁條、斜鋼粱、立柱等總長比較長，劃分的時候需單獨(dú)分開劃分，單獨(dú)使用劃分方法和單元尺寸，單元尺寸大多為2 mm，最終劃分出來單元統(tǒng)計(jì)，生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)為3 690 428 個，生產(chǎn)單元為1 799 912 個，從劃分單元數(shù)量來看，劃分比較細(xì)致，計(jì)算結(jié)果更加接近實(shí)際劃分結(jié)果，如圖2 所示。

圖2 光伏支架網(wǎng)格劃分

2 光伏支架結(jié)構(gòu)分析

2.1 定義荷載和約束

在分析時主要考慮對光伏支架最不利的工況，其荷載主要包括風(fēng)荷載0.31 kN/m2、雪荷載0.31 kN/m2、恒荷載0.101 kN/m2，根據(jù)光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的規(guī)程相關(guān)規(guī)定，荷載施加在檁條和組件連接面上，荷載組合為風(fēng)荷載、雪荷載、恒荷載相加作用，荷載施加大小如表3 所示。荷載情況應(yīng)符合國家現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[4]的有關(guān)規(guī)定，并在進(jìn)行ANSYS 計(jì)算時加載光伏支架自重，其約束根據(jù)實(shí)際情況選擇固定支撐，固定四根立柱底部，施加荷載如圖3 所示。

圖3 荷載加載

表3 荷載施加值

2.2 光伏支架設(shè)計(jì)分析

光伏支架應(yīng)滿足承載力極限和正常使用極限，設(shè)計(jì)時按使用年限為25 年、安全等級為三級、抗震類別為丁類，為了設(shè)計(jì)正常使用和觀感，光伏支架結(jié)構(gòu)的構(gòu)件應(yīng)有對應(yīng)的規(guī)定變形限值，光伏支架采用冷彎薄壁型鋼[5]，對光伏支架的受彎構(gòu)件撓度容許值應(yīng)為≤L/250。光伏支架整體變形如圖4 所示，整體變形最大為144.55 mm，斜鋼梁最大整體變形為78 mm，前后斜撐最大整體變形為75 mm，立柱整體最大變形為55 mm。

圖4 光伏支架整體變形圖

根據(jù)GB 50017-2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)規(guī)范，如圖5 所示，由于檁條兩節(jié)點(diǎn)之間跨度（4 000 mm）較大，最大撓度出現(xiàn)在檁條上，位于立柱之間區(qū)域，最明顯在最上方檁條位于第二和第三立柱中間，根據(jù)NB/T 100115-2018《光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》[6]，最大撓度如表4 所示，不能大于16 mm，從圖5 中可以看出X 向的變形明顯要大于Z 向，在滿足國家標(biāo)準(zhǔn)，在檁條的選擇上，檁條Z 軸向的尺寸可以適當(dāng)增大，檁條X 軸向的尺寸可以適當(dāng)取小。

圖5 定向變形圖

表4 光伏支架力學(xué)性能表

如圖6 所示，檁條截面變形，從圖中計(jì)算結(jié)果顯示，檁條的整體變形并不大，反而影響最大的為檁條的截面形狀，截面形狀容易變形，在設(shè)計(jì)計(jì)算時容易導(dǎo)致截面不足而引起穩(wěn)定性不夠，且檁條截面上部變形尤為明顯。

圖6 檁條總變形

如圖7 所示為等效應(yīng)力圖，分析結(jié)果顯示，最大應(yīng)力出現(xiàn)在構(gòu)件貼合處、構(gòu)件棱角處和螺栓連接處，最大應(yīng)力為1 787 MPa，出現(xiàn)如檁托直角拐角處，且靠近光伏支架中間處越明顯，單位面積應(yīng)力集中密度越大，檁條和斜鋼梁連接處應(yīng)力集中在截面折彎處，上立柱和斜鋼梁連接處應(yīng)力集中在上下折彎處，且斜鋼梁應(yīng)力靠近立柱兩邊折彎處，上下立柱連接之間的應(yīng)力集中在兩螺栓之間，且呈磁狀發(fā)散，斜撐連接件應(yīng)力主要分布在左右第一個折彎處，且集中在上下拐角，上拐角較大，后支撐端大于前支撐端。當(dāng)達(dá)到材料所能承受最大抗拉強(qiáng)度，可導(dǎo)致構(gòu)件被破壞，使截面發(fā)生斷裂和脆裂。從光伏支架整體來看，大部分等效應(yīng)力比較小，這種采用冷彎薄壁型鋼，因構(gòu)件棱角較多，構(gòu)件截面較薄，連接時用螺栓連接，導(dǎo)致了較大應(yīng)力出現(xiàn)在較小局部處，且應(yīng)力較集中，容易破壞結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致失穩(wěn)現(xiàn)象。

圖7 等效應(yīng)力圖

分析結(jié)果顯示，整體變形最大在檁條上，整體變形最小在立柱上，且最大和最小大多呈極端形式表現(xiàn)，詳細(xì)如表5所示，對光伏支架剪切力如表6所示，分析的結(jié)果可助于光伏支架的二次設(shè)計(jì)和優(yōu)化，有利于提高光伏支架的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性。

表5 光伏支架的應(yīng)力、應(yīng)變

表6 光伏支架的剪切力

3 結(jié)論

本 文 用 到SolidWorks 和ANSYS 軟 件，通 過SolidWorks 創(chuàng)建構(gòu)件三維模型從而組裝成光伏支架裝配體，光伏支架裝配體導(dǎo)入ANSYS 中進(jìn)行靜力學(xué)分析，分析結(jié)果中得到光伏支架總變形、X 向變形、Z 向變形、等效應(yīng)力和等效應(yīng)變等的分析情況。從分析結(jié)果看出，光伏支架變形情況、應(yīng)力分布情況、各向受力表現(xiàn)和截面變形情況等，分析的變形結(jié)果根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)范進(jìn)行計(jì)算，通過計(jì)算的結(jié)果可以更好的對光伏支架調(diào)整，可以計(jì)算到光伏支架任意構(gòu)件的任意點(diǎn)，對二次優(yōu)化提供最直觀的數(shù)據(jù)，通過等效應(yīng)力分析，應(yīng)力集中較大點(diǎn)處可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，利用ANSYS 分析和再次設(shè)計(jì)，使安全性和可靠性提高。

用ANSYS 分析光伏支架，可以直觀地顯示不容易觀察到的位置，更直觀的表現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力分布，此研究方法可以用于光伏支架主要零部件的優(yōu)化和改進(jìn)，可以模擬光伏支架在各種工況下的情況，直觀的看出不利點(diǎn)，避免后期使用問題的出現(xiàn)，預(yù)先評估光伏支架的特質(zhì)。