杨松

摘 要：随着科学技术不断的发展进步，在一定程度上推动太阳能光伏支架设计研发领域的发展。太阳能光伏支架主要是由次梁、主梁以及支撑柱共同组成的空间构件。本文主要立足于ANSYS有限元软件对太阳能光伏支架设计方案进行位移场、应力场数值仿真分析。在实际分析过程当中，充分的将自身内部结构中的空间效应，合理的通过晶粒细化技术，进而提高材料的力学性能，为其提供了立足于有限元角度进行太阳光伏支架的钢材型号优选方法。

关键词：太阳能；光伏支架；受力特征；限元研究；分析总结

中图分类号：TM615 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）15-0054-02

前言

随着我国一些较高性能的计算机工作站的出现，和数值试验方法的普及，使得数值仿真受到各界人士的重视。因为数值仿真自身拥有较多优势特点，具体包括：适用范围广泛、较强方便快捷性、灵活性能较高、节省大量人、物、财力、安全稳定性能较高等。在我国各个领域中广泛的应用，例如：航空、汽车、医学、建筑、机械、运动器械等领域。目前，我国常用的一些数值仿真有限元软件有ANSYS[1]、ADINA[2]、ABAQUS[3]、FLAC[4]，是将其应用在空间结构中的位移、应力、温度场等仿真分析过程中。

1 ANSYS梁单元简介

ANSYS软件主要是为其提供不同种类的梁单元，具体包括BEAM3，BEAM4，BEAM23，BEAM188等几种，在我国实际开展结构分析过程中，普遍使用的是BEAM4，BEAM188这两种梁单元。BEAM4单元自身主要是建立在Euler-Bernoulli理论之上形成的一种梁单元，在假定这种梁单元的梁横截面为刚性平面，那么这时的弯矩则呈现出线性变化，是不能够考虑横向剪切变形的影响[1]。

BEAM188梁单元是建立在Timoshenko理论之上，逐渐形成的一种梁单元，BEAM188这种梁单元是可以优先考虑横截面的剪切变形，自身支持丰富的模型特性，例如：变形、黏弹塑性、非线性。将BEAM188梁单元与BEAM4单元之间进行对比，EAM188梁单元所具有的单元功能相对全面些。目前我国常见的一些太阳能光伏支架中的主、次梁，使用的都是槽钢[2]。

2 有限元模型

本文所设计方案的背景主要是基于一种1MW HIMOER光伏支架来进行设计，在这组太阳能光伏支架当中，是由10块不同的光伏板组合而成，每块光伏板的尺寸约为1640mm×992mm×40mm，每块光伏板是由四个相同的扣夹与次梁之间进行连接而成。整个板下共有4根次梁对其进行支撑，次梁的表面通常是采用热镀锌钢C型钢槽，然后在合理的通过扣夹的形式，将4根次梁支撑在3根主梁当中。通过利用ANSYS前处理模块，是能够有效的创建出有限元模型[3]。简单来讲，这里的光伏板壳单元在其中发挥的作用，主要是受到自重、风、雪荷载，这三种不同类型下的荷载发挥的作用。

3 结果分析

3.1 位移场分析结果

对太阳能支架次梁位移场进行计算的过程中，次梁光伏板是能够均匀的在荷载作用之下，使其主梁对其产生的约束位移，呈现出较小的状态，跨中截面位移显示的结果来看，是相对较大，这其中最大的挠度则为11mm，是存在于跨中截面当中。不同次梁的两端，因受到来自光伏板以及各个主梁，对其产生的空间约束作用下，使得次梁的竖向位移变的较小只有近0.07mm左右。这个方案所计算的结果是完全满足，我国在对连续梁在均布荷载作用之下的位移分布规律提出的标准。

此外，将一些受弯构件的挠度方面，也是合理的控制在规定的范围之内。所以，在本文所采用的次梁HM-72槽钢型号，是完全符合我国规范下，提出的实质要求。当次梁不断的对主梁传递集中荷载情况下，这时的主梁自身所承受的荷载量也是相对较大些，意味着主梁位移的最大值是体现在该梁跨中截面中。但是由于主梁在进行跨中截面时，跨度较小的原因，致使主梁的竖向位移的最大值也仅仅约为2mm左右，为了能够在最大限度上使其符合规范下的要求，可以优先考虑使用HM-52型号的槽钢[3]。

3.2 应力场分析结果

对太阳能光伏支架的次梁、主梁进行应力计算的过程时，由于次梁的跨中截面应力，是呈现出上压下拉的形式，次梁的支座处截面应力则呈现出上拉下压的形式。那么，对光伏板在对次梁在变形过程当中所产生的较强空间约束作用的角度考虑分析，得出太阳能光伏支架中的次梁拉应力数字最大的情况，是在支座的上侧中为128MPa，而跨中最大拉应力值则仅仅只有68MPa左右。站在数值的角度来看，是明显的要比，在不将光伏板自身的刚度考虑在内的最大应力值123MPa小的很多。

所以，合理的通过使用有限元仿真分析方式，能够在很大程度上真实的反映出不同截面中的应力分布状态，并精准的对不同结构中的最大拉应力的位置进行定位。在进行实际计算的过程当中，将一些复杂情况和边界条件考虑在内，也是能够为整个太阳能光伏支架在设计的过程中，提供全方位位移和全方位应力重要参考数据[4]。

3.3 抗倾覆分析结果

这里只是将风荷在作用下，所产生的一些倾覆的不利工况进行考虑，将风荷载值设定在0.57kN/m2，太阳能光伏板的自重是在整个结构当中占据着重要的地位，对整体结构有利。所以应当将光伏板自重的范围值设定在0.12kN/m2。根据结果显示，太阳能光伏支架的中主梁与中主柱交接处最大的拉应力呈现出48MPa，而太阳能光伏支架中的边主梁与边主柱交接处，最大的拉应力为47MPa。

不管是中主梁与中主柱交接，还是边主梁与边主柱交接，两者的拉应力都小于钢材自身的抗拉强度。在本文所阐述的构件连接方面，采取使用的都是扣夹承载力为中扣夹抗拉承载力的10kN，在风荷载对其产生的作用之下，就會使得原本的接触单元中的法向力朝向于2.64以及2.58kN改变，而这时两者的拉应力是一定会小于扣夹抗拉承载力的。得出结论在处于风荷载不利工况的背景之下，机构自身的抗倾覆验算还是有着一定程度上的安全和稳定性。

3.4 不同型号的槽钢在位移、应力方面的分析结果

文本中主要是以太阳能光伏支架中的次梁为研究对象，分别构建出不同型号下的太阳能光伏支架次梁的最大挠度以及拉应力（表1）。

4 结语

数值仿真与理论分析、试验研究三种，都是结构分析中的主要方式之一，是可以进行计入空间效应下的原型模型研究来的，进而能够为相关的工程在进行设计的过程当中提供一些可靠的参考依据。本文主要是通过构建太阳能光伏支架中的次梁、主梁的空间有限元模型，并对其不断的全方位的位移、应力、仿真场进行实时测试，最后在针对不同型号下的槽钢次梁进行计算分析，从而为其合理的提供关于太阳能光伏支架受力特征下的有限元槽钢型号的选择。

参考文献

[1]王建民，刘亮球，施海仙，籍楚雄，焦兆弟.建筑一体化太阳能光伏支架受力特征的限元设计及检测解析[J].浙江建筑，2010，01：46-49+53.

[2]毕金锋，平曈其，吴雪萍，罗先启.刚察扎苏太阳能光伏支架受力特征的限元设计，伏电站固定可调支架发电效益分析[J].实验室研究与探索，2016，01：31-33+53.

[3]杨涛，范久臣，刘荣辉，张浩，贾双林.基于有限元法的太阳能光伏支架结构设计与优化[J].吉林化工学院学报，2016，03：39-44.

[4]徐东，张洪信，高雷，周美施.青岛市太阳能光伏电站及其支架的限元设计[J].青岛大学学报（工程技术版），2016，02：59-64+70.endprint