10 m太陽能路燈燈桿的有限元研究

席美蕾，朱成虎，龔俊杰，周歡

(1. 揚州大學 機械工程學院，江蘇 揚州 225127; 2. 江蘇龍騰照明集團公司，江蘇 揚州 225652)

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10 m太陽能路燈燈桿的有限元研究

席美蕾1，朱成虎2，龔俊杰1，周歡1

(1. 揚州大學 機械工程學院，江蘇 揚州 225127; 2. 江蘇龍騰照明集團公司，江蘇 揚州 225652)

摘要：太陽能路燈相對于普通路燈，其太陽能電池板迎風面積較大，燈桿受力更易受到外界天氣狀況的影響而發生破壞。運用ABAQUS有限元軟件對10 m太陽能路燈燈桿在風載、雪載以及自身重力作用下各構件的應力與變形進行了分析。在保證燈桿強度與剛度安全的基礎上，通過分別改變燈桿和支架的壁厚，對太陽能路燈燈桿進行了改進設計，并得出最優的設計方案。

關鍵詞：太陽能路燈；燈桿；有限元分析；改進設計

0引言

太陽能路燈利用太陽電池的光伏特效應原理，白天太陽電池吸收太陽能光子能量產生電能通過控制器存儲在蓄電池里，夜晚蓄電池便開始為光源提供電源[1]。太陽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，可以說是取之不盡用之不竭。

太陽能路燈主要都是采用經驗設計的方法，目前對其深入研究不是很多，仍存在很多問題。許嘉梁[2]指出了太陽能路燈的應用具有造價偏高，受自然因素的限制較多，光照范圍窄等缺陷。太陽能路燈最大的缺點就是能量轉換效率低，太陽能光伏電池的轉換效率約為15%~19%[3]。而燈桿是關鍵件之一，對燈桿的強度計算通常采用力學公式計算來驗算燈桿強度的模型，以及最大風載荷時燈桿基座緊固地腳螺栓抗風載荷所能承受能力進行計算。路燈整個構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受力，2) 燈桿部分的結構受力采用計算機有限元分析對整個結構構件作受力分析和校核[4-6]。

現就太陽能路燈在風載、雪載以及自身重力作用下燈桿各部分的應力及變形進行有限元分析，在對原有設計

燈桿的強度與剛度進行分析的基礎上，再對燈桿進行合理的改進設計，以達到提高燈桿的安全性能及節省材料的目的。

1路燈燈桿有限元分析

1.1有限元模型的建立

太陽能路燈由地基、法蘭、螺栓、燈桿、燈頭、太陽能支架、電池板及電池板支架組成。通過SolidWorks軟件建立路燈的三維模型后，直接導入ABAQUS有限元軟件進行分析。太陽能路燈的幾何模型如圖1所示。

圖1　太陽能路燈的幾何模型

在建立有限元模型時，由于燈桿的基座相對于地面是固定不動的，所以約束基座底端的3個移動自由度。路燈的地基和燈桿的材料性能參數如表1所示。支架的材料也采用與燈桿相同的普通鋼。

表1　路燈各部分的材料性能參數

1.2風載作用下路燈燈桿的有限元分析

根據建筑結構荷載規范，按照50年一遇的平原地區10m高度風壓的設計要求(建筑結構載荷規范—GB50009_2001)，來確定施加于燈桿的風載大小。根據太陽能板和燈桿的受風面積計算燈具及桿身表面受風的荷載。

F太陽能板=σ×A1=

0.00045MPa×1956mm×992mm×sin40°=561N

F桿身=σ×A2

將上述風載施加在燈桿相應的位置。為了考慮燈桿各部分重力的影響，設置所有材料的重力加速度為9.8 m/s2。

通過有限元計算，得到太陽能路燈燈桿在風載與自重作用下的整體及部分構件的變形和應力云圖如圖2、圖3。

圖2　路燈整體及支架位移云圖

圖3　路燈整體和蒙板1應力云圖

由圖2和圖3可以看出，路燈燈桿的最大變形為191.2mm，在支架處。路燈燈桿的最大應力發生在蒙板1與燈桿接觸的尖點處，由于此處只是尖點與桿身擠壓接觸，存在明顯的應力集中現象，但是軟件只能模擬最理想情況，實際上尖點在擠壓后發生局部壓潰變形，在進行強度分析時可以不予考慮。

通過有限元計算得到，高燈桿的最大應為82.8 MPa. 發生在高燈桿與蒙板4接觸的迎風面處。矮燈桿的最大應力為63.9 MPa，發生在矮燈桿與蒙板1接觸的背風面處。材料強度及許用應力是根據不同材料、使用場合來規定的，對于Q235鋼材料，其極限應力為235 MPa，安全系數取1.4，則許用應力為168 MPa。顯然，高桿燈應力符合強度要求。

1.3雪載作用下燈桿的有限元分析

對燈具及桿身表面受的荷載按基本雪壓，即重現期為50年的最大雪壓來計算(建筑結構載荷規范—GB50009_2001)。雪載是施加在太陽能電池板上豎直向下的力。

單獨分析雪載引起的應力和變形可知，最大變形發生在支架處，豎直向下的最大位移為5.97 mm。最大應力發生在燈桿的蒙板1處，最大應力為7.60 MPa。說明雪載引起的應力和位移都小，可見雪載對路燈的影響不大。

1.4風載雪載共同作用下的有限元分析

最后再對風載、雪載共同作用下的路燈進行有限元分析。計算發現，路燈的最大變形發生在支架處，變形量為188.2 mm，最大應力發生在蒙板1處，最大應力為137.7 MPa，燈桿的最大應力為82.1 MPa。說明在風載和雪載的共同作用下，路燈整體結構的強度符合要求。

1.5各種載荷的比較

下面給出各種工況下各部件的應力與位移對比，表2所示為各部件最大應力對比。

表2　各部件最大應力對比　MPa

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

表3　各部件最大位移對比　mm

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，變形的地方符合實際情況，結果比較合理。

2改進設計

對10m太陽能路燈的結構分析可知，作為主要的承載部件，高燈桿、矮燈桿桿身及支架的強度、剛度影響著10m太陽能路燈的使用壽命。為了在保證結構安全的前提下，實現結構輕量化的目的，可以通過改變燈桿的壁厚來改變高桿燈的強度和剛度。根據有限元計算結果，對10m太陽能路燈結構提出的改進設計方案為：

將高燈桿、矮燈桿的壁厚由3.75 mm調整到3 mm，同時將電池板支架角鋼的壁厚由5 mm調整到3 mm。

將改進后的10 m太陽能路燈再次導入ABAQUS軟件進行分析，得到路燈各部分的應力、位移云圖。表4所示為路燈優化前后各部件最大應力的對比。

表4　優化前后各部件最大應力對比　MPa

由表4可知，優化后路燈的應力有所增大，但還處于許用應力范圍內。燈桿最大應力在高燈桿處為104.0 MPa，其局部應力放大圖如圖3所示。雖然此時路燈最大應力較許用應力還有一定差距，理論上還可以再進行優化，但是考慮到材料的疲勞以及軟件分析的理想化，不再進行進一步的優化。

圖3　燈桿應力圖

3結論

通過對10m太陽能路燈在風載、雪載以及自身重力作用下的有限元分析，得出路燈各個部件的主要應力與位移情況，并對構件的最大應力進行了分析。最后，對路燈燈桿進行優化設計，優化后兩個燈桿的應力有所增大，但仍小于許用應力，位移前后變化不大，都符合要求，優化效果比較理想。

參考文獻:

[1] 吳國楚. 太陽能路燈的工作原理及設計[J]. 青海科技,2010(5):114-115.

[2] 許嘉梁. 太陽能與太陽能路燈應用[J]. 燈與照明,2008,32(2):28-30.

[3] 扈志遠,王松,王曉陽,等. 中國太陽能路燈研究綜述[J]. 綠色科技,2011，(5):195-198.

[4] 梁富文. 高桿燈燈桿設計的力學分析[J]. 機電工程技術,2013,42(5):114-116.

[5] 石聽安. 高桿燈承受最大風載荷時緊固地腳螺栓的拉力計算[J]. 燈與照明, 2002, 26(4):53-54.

[6] 許基朵. 太陽能路燈照明系統的受力分析與強度校核[J]. 科協論壇, 2009，(2): 105.

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Finite Element Analysis of 10 m Solar Street Light Pole

XI Mei-lei1，ZHU Cheng-hu2，GONG Jun-jie1, ZHOU Huan1

(1. College of Mechanical Engineering，Yangzhou University，Yangzhou 225127，China;

2. Longt Lighting Group Co.，LTD.,Yangzhou 225652 ,China)

Abstract:Compared with the ordinary street lamp, the light pole stress of solar street lamp is more susceptible to weather resisting property, because of its larger windward area of solar panels. In this paper, ABAQUS finite element software is used to analyse the stress and deformation of 10m solar street lamps components under the wind load, snow load and its own gravity applied on the light pole. To ensure its safety, stiffness and strength, its design is improved and optimized by changing the thickness of light pole and support for solar street light.

Keywords:solar street lamp; light pole; finite element analysis; improved design

收稿日期：2014-12-25

中圖分類號：TP391.9

文獻標志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)03-0110-03

作者簡介：席美蕾(1988-)，女，陜西銅川人，碩士研究生，主要研究方向為機械設計與理論。