太阳能路灯的动静态结构性能分析

2018-12-03谢红龙尹振坤项佰川王兴庆

机电工程技术 2018年11期

谢红龙，尹振坤，王婷，项佰川，王兴庆，薛河

（1.西安科技大学机械工程学院，陕西西安 710054；2.深圳源创智能照明公司，广东深圳 518000）

0 引言

近年来，随着我国对光伏发电产业的大力扶持，2016年，并网太阳能发电累计装机容量增长80.6%[1]，与此同时，作为光伏发电产业重要的组成部分的太阳能路灯产业也在不断发展壮大。太阳能路灯的太阳能板等占据较大空间，在遭遇强台风等极端天气时，由于结构强度不足而失效的情况时有发生[2]。因此，在产品设计阶段进行相应的结构强度分析是非常有必要的。

此次研究的太阳能路灯正处于产品结构设计的初级阶段，通过有限元模拟分析可以为接下来的结构强度设计提供可靠的设计依据。

该研究具体内容分为静力学分析和模态分析。静力学分析主要研究该型太阳能路灯在自身重力及特定风力共同作用下结构的von Mises应力及位移分布情况，以确定结构强度和刚度是否满足特定的工作环境；模态分析主要研究整体结构各阶次下的固有频率，以确定风的激励频率是否会引发整体结构发生共振。

1 有限元模型的建立

路灯灯杆高H=10m，外伸杆长度L=1.2m，其整体结构如图1所示。

图1 太阳能路灯模型Fig.1 Modelofthe solarstreetlampe

1.1 载荷的加载

该型太阳能路灯主要受到自身重力及风力的作用。如图2所示即为载荷示意图。

图2 风压、重力及扭矩的加载示意图Fig.2 Wind pressure,gravity and torque loading diagram

路灯安装在深圳地区，在该地区50年一遇风力约为12级风，有限元模型中风速设定为v0=35 m/s，可由基本风压计算公式算得基本风压[3]：

当ρ空气=1.23 kg/m3时，W0=750 Pa。

根据GB50009-2001《建筑结构荷载规范》，风荷载计算公式为:

式中：βgz为阵风系数，考虑到瞬时风比平均风大而乘的系数，以βgz=1+0.7(H/10)-0.15确定；μs为结构体形系数，描述的是物体表面在稳定风压作用下的静态压力的分布规律，此处可以考虑用类比的方法，根据《规范》，取值0.8；μz为风压高度变化系数，反映风压随不同地貌和高度变化规律的系数，以μz=(H/10)0.3确定[4]。

将基本风压代入风载荷计算公式内，可算得加载在太阳能路灯上的加载风压Wk=1 020 Pa。

整体质量为m=220 kg，所以路灯自身重力G=mg=2 156 N，由侧面迎风面面积S=0.35 m2和外伸杆长度L，可得到扭矩T=Wk·S·L=428 N·m。

1.2 材料属性

模型中共设置5种不同的材料，各材料参数如表1所示。

表1 材料参数Tab.1 Materialparameters

1.3 网格的设置

在有限元模型中网格的划分及单元类型的设置至关重要[5]，对于过于复杂的模型，采用四面体单元进行网格划分，其网格设置为C3D10单元，即10节点四面体二次单元；对于结构简单的部件，以六面体单元进行结构化或扫掠网格划分，其网格设置为C3D8R单元，即8节点六面体线性缩减积分单元[6-7]。网格单元的设置情况如表2所示。

表2 网格单元的设置Tab.2 Setofthe grid cells

2 静力学分析

当风力和重力共同作用在太阳能路灯上时，由图3可知，最大von Mises应力出现在灯杆外伸杆的弯头部位，von Mises应力值为179 MPa；最大位移出现在太阳能板的最顶端，位移为98 mm。图4为扭矩和重力共同作用下的von Mises应力及位移云图，由于该型太阳能路灯侧面受力面积相对较小，使得最大von Mises应力为52 MPa，出现在支撑杆与主杆连接区域，最大位移出现在LED灯箱上，最大位移值为35 mm。

图3 风力和重力作用下的应力及位移云图Fig.3 The stress and displacementcloud chartunder wind pressure and gravity

图4 扭矩和重力作用下的应力及位移云图Fig.4 The stress and displacementcloud chartundertorque and gravity

考虑到Q235钢的极限应力值为235 MPa，根据GB50135-2006《高耸结构设计规范》可知最小安全系数选不应小于1.2，安全系数为1.2时的许用应力为195 MPa，路灯许用挠度是灯杆总高度的5%，即500 mm，因此这种环境下有限元计算的结果完全满足设计要求。

3 模态分析

该型太阳能路灯整体结构的前6阶固有频率如表3所示，前6阶振型图如图5所示。第1阶固有频率为2.196 Hz，第2阶固有频率为2.315 Hz，而风的激励频率为1.5 Hz左右，这就意味着当风的激励频率达到1.5 Hz过程中不会达到该型太阳能路灯的固有频率，因此在该工作环境下整体结构不会发生共振现象。