太阳能支架结构设计模块

目录
正面分析................................................................... - 2 - 模型简化 .............................................................................................................................................. - 2 - 太阳能板组件 .............................................................................................................................. - 2 - 支架 .............................................................................................................................................. - 3 - 支架L型支撑件 .......................................................................................................................... - 4 - 支架固定梁 .................................................................................................................................. - 4 - 整机固定座 .................................................................................................................................. - 5 - 局部细节 ...................................................................................................................................... - 5 - 计算结果分析 ...................................................................................................................................... - 6 - 整机应力分析 .............................................................................................................................. - 6 - 整机位移分析 .............................................................................................................................. - 9 - L型支撑件子模型分析 ............................................................................................................. - 11 - 支架固定梁子模型分析............................................................................................................. - 12 - 侧面分析 ......................................................... - 13 - 总结 ................................................................. - 16 -
太阳能项目是室外安装，需要测试承受风力载荷的，风载荷为12级风45米/秒，
根据伯努力方程（P1/ρ+Z1+V1*V1/2g=c）,可以导出：
P=0.5*ρ*v*v=0.5*mg*v*v/g; P为风压，ρ为流体密度，
v为流体速度55m/s，风压为，P=1.89KPa
正面分析
根据设计需求，假定风载荷是水平向的，太阳能板与载荷方向有degree30的夹角，即太阳能板承受1.64KPa的压强，相当于每个太阳能板承受651N的载荷，本文分析的是安装12个太阳能板的一种支架承受风载荷的能力。

整机模型如图1所示，图2是整机模型的边界条件约束及载荷的施加方式（此处每个太阳能板上承受的总力为561N）。

图1 太阳能支架整机模型及边界条件
模型简化
太阳能板组件
考虑到太阳能板的数量众多，且太阳能板的安装型材数目也不少，如果在建模时把这些都考虑详细的话将是非常庞大的一个模型，所以本文对这些采用了简化处理，如图2
把太阳能板组件进行了处理，厚度设为10mm，弹性模量设为钢的2倍，密度为等效密度（即每个组件等效质量为7.7Kg）。

图2 太阳能组件简化处理
支架
支架由于均为钣金件，本文采用抽中面的方式简化为壳体（中面），一些安装工艺考虑的长腰型孔为了建模方便都改为圆孔，计算完成后视结果而考虑是否需要细化这些部位进行分析。

如图3所示。

图3 支架结构图
支架L型支撑件
由于在实际分析时，L型支撑件与支架及支架固定梁的接触关系对受力的贡献很大，要考虑双面接触，本文不能太多简化，仍然按照实体建模，只是把长腰型孔为了建模方便都改为圆孔，计算完成后视结果而考虑是否需要细化这些部位进行分析。

L型件的有限元模型如图4。

图4 L型件结构图
支架固定梁
支架固定梁是用于连接整机及水泥地面的零件，同上，支架固定梁的长腰型孔都改为圆孔, 计算完成后视结果而考虑是否需要细化这些部位进行分析。

设计时考虑到该支架受力较大，在地脚螺栓处增加了一个结构件，如图5所示，本文在初始建模时把该零件取消，在子模型里施加该零件。

初始模型如图6。

地脚螺栓压片
图5 支架固定梁原始结构图
图6 支架固定梁最终结构图
整机固定座
整机固定座是指固定水泥座，从设计人员那里得到的模型是四个相同的零件，本文进行了简化，截取了与整机连接及接触的部分，抽壳，材料采用刚才，厚度设为10mm，从结果来看位移非常小，满足假设。

图7是整机固定座的简化过程。

图7 整机固定座结构图
局部细节
在L型件处的局部接触及连接效果如图8所示。

图8 L型支撑件处模型图
计算结果分析
整机应力分析
对整机施加如图1所示载荷，每个太阳能组件651N，整机应力云图如图9所示。

图9 整机应力云图
最大应力的位置在支架固定梁处，最大应力为353MPa。

支架应力
支架的应力云图如图10所示。

最大为164MPa，在与太阳能组件接触的部位，本文在分析时此部位没有施加接触，如考虑接触，应力会有相应减少，去除该面（与太阳能组件接触的面），应力云图如图11所示，最大值为115MPa，没有风险。

图10 支架应力云图
图11 支架局部应力云图
支架固定梁应力
支架固定梁的应力云图如图12所示，最大为353MPa，由于应力较大，本文后面将对该部位进行详细分析。

图12 支架固定梁应力云图
L型支撑件
L型支撑件的应力云图如图13所示，最大为247MPa，由于应力较大，本文后面将对该部位进行详细分析。

图13 L型支撑件应力云图
整机位移分析
综合位移
图14 整机位移图
图14是整机的位移云图，最大位移在支架顶部，最大值为6.072mm。

前后向位移（X向）
图15 整机前后向位移图
图15是整机的前后向位移云图，最大位移在支架顶部，最大值为5.719mm。

上下向位移（Y向）
图16 整机上下向位移图
图16是整机的上下向位移云图，最大位移在支架顶部，最大值为2.024mm 左右向位移（Z向）
图17 整机左右向位移图
图17是整机的左右向位移云图，最大位移在支架顶部，最大值为0.76mm。

本文对图13所示存在最大应力的L型支撑件进行细化分析，有限元子模型如图18所示，该L型支撑件的应力云图如图19所示，最大值为98.35MPa，安全。

图18 L型支撑件子模型图
图19 L型支撑件应力云图
无地脚螺栓压片模型
本文对图12支架固定梁存在最大应力的部位进行细化分析，先对无地脚螺栓压片的结构进行细化分析，子模型如图20所示，子模型里把螺栓和垫片均考虑在内，螺栓的预紧力设为5000N。

图20 支架固定梁无地脚螺栓压片子模型
支架固定梁的应力云图如图21所示，最大值为185.76MPa，在安全范围内。

图21 无地脚螺栓压片的支架固定梁应力云图
180mm地脚螺栓压片模型
按照设计要求对施加了地脚螺栓压片的支架固定梁进行分析，地脚螺栓压片长
180mm，子模型如图22所示。

图22 支架固定梁有地脚螺栓压片子模型
支架固定梁的应力云图如图23所示，最大值为142.6MPa，在安全范围内，且比无地脚螺栓压片的情况应力减小了23%。

图23 有地脚螺栓压片的支架固定梁应力云图
侧面分析
由于整框架侧面的刚度不是很好，比如安装时工人的推力或受风的侧面推力有可能框架存在变形较大的风险，本文对侧面受力变形的情况进行了简单分析，风载荷大小同样为1.64KPa，侧面受力如图24所示。

图24 侧面受力示意图
此时L型支撑件的分布如图25所示。

图25 原框架L型支撑件的分布图支架的位移云图如图26所示，最大值为6.317mm。

图26 原框架侧面受力位移云图
更改L型支撑件的排布，如图27所示。

图27 更改后框架L型支撑件的分布图
更改L型支撑件的排布后，支架的位移云图如图28所示，最大值为6.819mm。

图27 更改后框架L型支撑件的分布图
图28 更改后框架侧面受力位移云图
从两种方案的对比看，更改L型支撑件的排布对框架的刚度没有影响。

总结
正面受力应力总结如表1所示。

表1 正面受力应力总结
正面受力应力总结
零件最大应力所在位置最大应力（MPa）能否通过支架上面斜支撑与前支撑连接处115 能L型支撑件与上面斜支撑件连接的孔位98.35 能支架固定梁螺孔的正前方142.6 能
正面受力位移总结如表2所示。

表2 正面受力位移总结
对于侧面受力的情况，从图26和图28来看，把一部分L型支撑件反方向排布的作用不大，可以推断出即使把L型支撑件加厚作用可能也不大，对框架侧面承受载荷的抗变形能力起决定作用的还是整机框架的刚度，例如考虑增加三角支撑可能会更有用。