基于太陽(yáng)能路燈特殊性，燈桿的參數(shù)設(shè)計(jì)有啥要求？

　　太陽(yáng)能路燈利用太陽(yáng)電池的光伏特效應(yīng)原理,白天太陽(yáng)電池吸收太陽(yáng)能光子能量產(chǎn)生電能通過(guò)控制器存儲(chǔ)在蓄電池里,夜晚蓄電池便開(kāi)始為光源提供電源[1] 。太陽(yáng)能是地球上最直接最普遍也是最清潔的能源,作為一種巨量可再生能源,可以說(shuō)是取之不盡用之不竭。太陽(yáng)能路燈主要都是采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法,目前對(duì)其深入研究不是很多,仍存在很多問(wèn)題。許嘉梁[2] 指出了太陽(yáng)能路燈的應(yīng)用具有造價(jià)偏高,受自然因素的限制較多,光照范圍窄等缺陷。太陽(yáng)能路燈最大的缺點(diǎn)就是能量轉(zhuǎn)換效率低,太陽(yáng)能光伏電池的轉(zhuǎn)換效率約為15% ~19%[3] 。而燈桿是關(guān)鍵件之一,對(duì)燈桿的強(qiáng)度計(jì)算通常采用力學(xué)公式計(jì)算來(lái)驗(yàn)算燈桿強(qiáng)度的模型,以及最大風(fēng)載荷時(shí)燈桿基座緊固地腳螺栓抗風(fēng)載荷所能承受能力進(jìn)行計(jì)算。路燈整個(gè)構(gòu)件的受力作用主要分為兩大部分:1) 電池組件安裝支架的抗風(fēng)受力,2) 燈桿部分的結(jié)構(gòu)受力采用計(jì)算機(jī)有限元分析對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件作受力分析和校核[4-6] 。

　　現(xiàn)就太陽(yáng)能路燈在風(fēng)載、雪載以及自身重力作用下燈桿各部分的應(yīng)力及變形進(jìn)行有限元分析,在對(duì)原有設(shè)計(jì)燈桿的強(qiáng)度與剛度進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,再對(duì)燈桿進(jìn)行合理的改進(jìn)設(shè)計(jì),以達(dá)到提高燈桿的安全性能及節(jié)省材料的目的。

　　1　路燈燈桿有限元分析

　　1.1　有限元模型的建立

　　太陽(yáng)能路燈由地基、法蘭、螺栓、燈桿、燈頭、太陽(yáng)能支架、電池板及電池板支架組成。通過(guò)SolidWorks 軟件建立路燈的三維模型后,直接導(dǎo)入ABAQUS 有限元軟件進(jìn)行分析。太陽(yáng)能路燈的幾何模型如圖1 所示。在建立有限元模型時(shí),由于燈桿的基座相對(duì)于地面是固定不動(dòng)的,所以約束基座底端的3 個(gè)移動(dòng)自由度。路燈的地基和燈桿的材料性能參數(shù)如表1 所示。支架的材料也采用與燈桿相同的普通鋼。

　　1.2　風(fēng)載作用下路燈燈桿的有限元分析

　　根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范,按照50 年一遇的平原地區(qū)10 m 高度風(fēng)壓的設(shè)計(jì)要求(建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范—GB50009_2001),來(lái)確定施加于燈桿的風(fēng)載大小。根據(jù)太陽(yáng)能板和燈桿的受風(fēng)面積計(jì)算燈具及桿身表面受風(fēng)的荷載。

　　F太陽(yáng)能板=σ×A1 =0.000 45 MPa×1 956 mm×992 mm×sin40° =561 N

　　F桿身=σ×A2

　　將上述風(fēng)載施加在燈桿相應(yīng)的位置。為了考慮燈桿部分重力的影響, 設(shè)置所有材料的重力加速度為9.8 m/ s2。通過(guò)有限元計(jì)算,得到太陽(yáng)能路燈燈桿在風(fēng)載與自重作用下的整體及部分構(gòu)件的變形和應(yīng)力云圖如圖2、圖3。

　　由圖2 和圖3 可以看出,路燈燈桿的最大變形為191.2 mm,在支架處。路燈燈桿的最大應(yīng)力發(fā)生在蒙板1與燈桿接觸的尖點(diǎn)處,由于此處只是尖點(diǎn)與桿身擠壓接觸,存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象,但是軟件只能模擬最理想情況,實(shí)際上尖點(diǎn)在擠壓后發(fā)生局部壓潰變形,在進(jìn)行強(qiáng)度分析時(shí)可以不予考慮。

　　通過(guò)有限元計(jì)算得到,高燈桿的最大應(yīng)為82.8 MPa，發(fā)生在高燈桿與蒙板4 接觸的迎風(fēng)面處。矮燈桿的最大應(yīng)力為63.9 MPa,發(fā)生在矮燈桿與蒙板1 接觸的背風(fēng)面處。材料強(qiáng)度及許用應(yīng)力是根據(jù)不同材料、使用場(chǎng)合來(lái)規(guī)定的,對(duì)于Q235 鋼材料,其極限應(yīng)力為235 MPa,安全系數(shù)取1.4,則許用應(yīng)力為168 MPa。顯然,高桿燈應(yīng)力符合強(qiáng)度要求。

　　1.3　雪載作用下燈桿的有限元分析

　　對(duì)燈具及桿身表面受的荷載按基本雪壓,即重現(xiàn)期為50 年的最大雪壓來(lái)計(jì)算(建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范—GB50009_2001)。雪載是施加在太陽(yáng)能電池板上豎直向下的力。

　　F太陽(yáng)能板=σ×A1 =0.000 4 MPa×1 956 mm×992 mm×cos40° =669 N

　　單獨(dú)分析雪載引起的應(yīng)力和變形可知,最大變形發(fā)生在支架處,豎直向下的最大位移為5.97 mm。最大應(yīng)力發(fā)生在燈桿的蒙板1 處,最大應(yīng)力為7.60 MPa。說(shuō)明雪載引起的應(yīng)力和位移都小,可見(jiàn)雪載對(duì)路燈的影響不大。

　　1.4　風(fēng)載雪載共同作用下的有限元分析

　　最后再對(duì)風(fēng)載、雪載共同作用下的路燈進(jìn)行有限元分析。計(jì)算發(fā)現(xiàn),路燈的最大變形發(fā)生在支架處,變形量為188.2 mm, 最大應(yīng)力發(fā)生在蒙板1 處, 最大應(yīng)力為137.7 MPa,燈桿的最大應(yīng)力為82.1 MPa。說(shuō)明在風(fēng)載和雪載的共同作用下,路燈整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度符合要求。

　　1.5　各種載荷的比較

　　下面給出各種工況下各部件的應(yīng)力與位移對(duì)比,表2所示為各部件最大應(yīng)力對(duì)比。

　　從應(yīng)力對(duì)比表2 可以看出,雪載對(duì)路燈的影響不大,10 m太陽(yáng)能路燈在3 種不同工況下工作時(shí),高燈桿的最大應(yīng)力比矮燈桿的大。燈桿除了局部存在著應(yīng)力集中而使應(yīng)力值較大外, 桿身絕大部分地方的應(yīng)力值均小于82.8 MPa,有一定的優(yōu)化空間。

　　從表3 中位移可以看出,不同工況下位移值都有所不同,除了雪載,各種工況中高燈桿及支架的變形量都較大,其他地方變形量都比較小,變形的地方符合實(shí)際情況,結(jié)果比較合理。

　　2　改進(jìn)設(shè)計(jì)

　　對(duì)10 m 太陽(yáng)能路燈的結(jié)構(gòu)分析可知,作為主要的承載部件,高燈桿、矮燈桿桿身及支架的強(qiáng)度、剛度影響著10 m 太陽(yáng)能路燈的使用壽命。為了在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下,實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化的目的,可以通過(guò)改變燈桿的壁厚來(lái)改變高桿燈的強(qiáng)度和剛度。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果,對(duì)10 m 太陽(yáng)能路燈結(jié)構(gòu)提出的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案為:

　　將高燈桿、矮燈桿的壁厚由3.75 mm 調(diào)整到3 mm,同時(shí)將電池板支架角鋼的壁厚由5 mm 調(diào)整到3 mm。

　　將改進(jìn)后的10 m 太陽(yáng)能路燈再次導(dǎo)入ABAQUS 軟件進(jìn)行分析,得到路燈各部分的應(yīng)力、位移云圖。表4 所示為路燈優(yōu)化前后各部件最大應(yīng)力的對(duì)比。

　　由表4 可知,優(yōu)化后路燈的應(yīng)力有所增大,但還處于許用應(yīng)力范圍內(nèi)。燈桿最大應(yīng)力在高燈桿處為104.0 MPa,其局部應(yīng)力放大圖如圖3 所示。雖然此時(shí)路燈最大應(yīng)力較許用應(yīng)力還有一定差距,理論上還可以再進(jìn)行優(yōu)化,但是考慮到材料的疲勞以及軟件分析的理想化,不再進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。

　　3　結(jié)論

　　通過(guò)對(duì)10 m 太陽(yáng)能路燈在風(fēng)載、雪載以及自身重力作用下的有限元分析,得出路燈各個(gè)部件的主要應(yīng)力與位移情況,并對(duì)構(gòu)件的最大應(yīng)力進(jìn)行了分析。最后,對(duì)路燈燈桿進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),優(yōu)化后兩個(gè)燈桿的應(yīng)力有所增大,但仍小于許用應(yīng)力,位移前后變化不大,都符合要求,優(yōu)化效果比較理想。