基于ANSYS 的光伏支架受力分析

張學俊，劉錫麟，胡保濤

（中國水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041）

0 引言

光伏支架（solar panel bracket）是太陽能光伏發電系統中為放置、安裝和固定太陽能面板而設計的支架。自從我國提出碳達峰碳中和以來，光伏行業迎來了新的發展和機遇，光伏支架的需求也是逐漸增長[1]。在設計上，要做到安全適用、經濟合理，應符合GB 50017-2017《鋼結構設計標準》[2]中有關規定，對光伏支架進行有限元分析有助于結構和強度的檢驗和改進及材料的合理應用。

本文以光伏支架主體結構為研究對象，利用SolidWorks 建立光伏支架三維模型，導入到ANSYS中，根據光伏支架在最不利的工況下，在光伏支架上添加恒荷載、風荷載和雪荷載，同時還考慮了光伏支架的自重，對光伏支架進行靜力學分析，得到了光伏支架的應變、應力圖，對光伏支架結構設計受力情況進行分析。

1 ANSYS 的前處理

1.1 ANSYS 有限元分析流程

有限元是把一個原來是連續的物體劃分為有限個單元，這些單元通過有限個節點相互連接，承受與實際荷載等效的節點載荷，根據力的平衡來進行分析，根據變形的協調條件來把這些離散的單元組合起來進行綜合求解的方法，其思想為離散化思想?；贏NSYS 的分析流程主要分為前處理、求解和后處理3 大步驟。前處理需要進行建立和導入三維模型、材料的定義、網格的劃分；求解需要施加荷載和求解；后處理為查看計算結果、檢驗結果的正確性和結構分析，得出結論。此次結構分析主要用到ANSYS 靜力學分析，計算時可以考慮線性和非線性的載荷施加，如大變形、大應變、應力剛化、接觸、蠕變和超彈性。對于簡單的三維模型可以用ANSYS中自帶的Geometry 進行模型建立，但是較復雜的三維模型，用ANSYS 建立就比較難建，因此本次光伏支架分析采用SolidWorks 建立模型，建立的模型先導入Geometry 進行加載和模型處理，并調整單位，注意的是光伏支架是裝配體，光伏支架中的每個零件必須為凍結狀態。之后在Model 中進行處理，建立連接，進行網格劃分、載荷施加、求解和后處理。

1.2 模型建立

SolidWorks 先建立一個個單獨的零件，零件基本尺寸參考《機械設計手冊》[3]，確定光伏支架截面尺寸，名稱規格如表1 所示，再根據尺寸和位置要求進行裝配，從而控制重合、平行、垂直、同軸度。裝配體模型如圖1 所示，本次分析的光伏支架所有零件均為螺栓連接，立柱結構為承插式，整體為坡度為27° 的2×14 承插式光伏支架，組件尺寸為2 278 mm×1 134 mm×35 mm,質量為31.8 kg。

圖1 光伏支架模型

表1 光伏支架名稱規格表

1.3 材料屬性

光伏支架主體結構采用S550,在光伏支架行業上目前采用S550 還是比較少，相比傳統結構鋼，大大的減輕了光伏支架的重量，且性能上更甚。光伏支架的材料屬性如表2 所示。

表2 光伏支架材料屬性表

1.4 網格劃分

光伏支架所選材料除螺栓之外，壁厚比較薄，且檁條、斜鋼粱、立柱等總長比較長，劃分的時候需單獨分開劃分，單獨使用劃分方法和單元尺寸，單元尺寸大多為2 mm，最終劃分出來單元統計，生產節點為3 690 428 個，生產單元為1 799 912 個，從劃分單元數量來看，劃分比較細致，計算結果更加接近實際劃分結果，如圖2 所示。

圖2 光伏支架網格劃分

2 光伏支架結構分析

2.1 定義荷載和約束

在分析時主要考慮對光伏支架最不利的工況，其荷載主要包括風荷載0.31 kN/m2、雪荷載0.31 kN/m2、恒荷載0.101 kN/m2，根據光伏支架結構設計的規程相關規定，荷載施加在檁條和組件連接面上，荷載組合為風荷載、雪荷載、恒荷載相加作用，荷載施加大小如表3 所示。荷載情況應符合國家現行國家標準GB 50009-2012《建筑結構荷載規范》[4]的有關規定，并在進行ANSYS 計算時加載光伏支架自重，其約束根據實際情況選擇固定支撐，固定四根立柱底部，施加荷載如圖3 所示。

圖3 荷載加載

表3 荷載施加值

2.2 光伏支架設計分析

光伏支架應滿足承載力極限和正常使用極限，設計時按使用年限為25 年、安全等級為三級、抗震類別為丁類，為了設計正常使用和觀感，光伏支架結構的構件應有對應的規定變形限值，光伏支架采用冷彎薄壁型鋼[5]，對光伏支架的受彎構件撓度容許值應為≤L/250。光伏支架整體變形如圖4 所示，整體變形最大為144.55 mm，斜鋼梁最大整體變形為78 mm，前后斜撐最大整體變形為75 mm，立柱整體最大變形為55 mm。

圖4 光伏支架整體變形圖

根據GB 50017-2017《鋼結構設計標準》相關規范，如圖5 所示，由于檁條兩節點之間跨度（4 000 mm）較大，最大撓度出現在檁條上，位于立柱之間區域，最明顯在最上方檁條位于第二和第三立柱中間，根據NB/T 100115-2018《光伏支架結構設計規程》[6]，最大撓度如表4 所示，不能大于16 mm，從圖5 中可以看出X 向的變形明顯要大于Z 向，在滿足國家標準，在檁條的選擇上，檁條Z 軸向的尺寸可以適當增大，檁條X 軸向的尺寸可以適當取小。

圖5 定向變形圖

表4 光伏支架力學性能表

如圖6 所示，檁條截面變形，從圖中計算結果顯示，檁條的整體變形并不大，反而影響最大的為檁條的截面形狀，截面形狀容易變形，在設計計算時容易導致截面不足而引起穩定性不夠，且檁條截面上部變形尤為明顯。

圖6 檁條總變形

如圖7 所示為等效應力圖，分析結果顯示，最大應力出現在構件貼合處、構件棱角處和螺栓連接處，最大應力為1 787 MPa，出現如檁托直角拐角處，且靠近光伏支架中間處越明顯，單位面積應力集中密度越大，檁條和斜鋼梁連接處應力集中在截面折彎處，上立柱和斜鋼梁連接處應力集中在上下折彎處，且斜鋼梁應力靠近立柱兩邊折彎處，上下立柱連接之間的應力集中在兩螺栓之間，且呈磁狀發散，斜撐連接件應力主要分布在左右第一個折彎處，且集中在上下拐角，上拐角較大，后支撐端大于前支撐端。當達到材料所能承受最大抗拉強度，可導致構件被破壞，使截面發生斷裂和脆裂。從光伏支架整體來看，大部分等效應力比較小，這種采用冷彎薄壁型鋼，因構件棱角較多，構件截面較薄，連接時用螺栓連接，導致了較大應力出現在較小局部處，且應力較集中，容易破壞結構，導致失穩現象。

圖7 等效應力圖

分析結果顯示，整體變形最大在檁條上，整體變形最小在立柱上，且最大和最小大多呈極端形式表現，詳細如表5所示，對光伏支架剪切力如表6所示，分析的結果可助于光伏支架的二次設計和優化，有利于提高光伏支架的經濟性和穩定性。

表5 光伏支架的應力、應變

表6 光伏支架的剪切力

3 結論

本 文 用 到SolidWorks 和ANSYS 軟 件，通 過SolidWorks 創建構件三維模型從而組裝成光伏支架裝配體，光伏支架裝配體導入ANSYS 中進行靜力學分析，分析結果中得到光伏支架總變形、X 向變形、Z 向變形、等效應力和等效應變等的分析情況。從分析結果看出，光伏支架變形情況、應力分布情況、各向受力表現和截面變形情況等，分析的變形結果根據國家標準和行業標準的相關規范進行計算，通過計算的結果可以更好的對光伏支架調整，可以計算到光伏支架任意構件的任意點，對二次優化提供最直觀的數據，通過等效應力分析，應力集中較大點處可根據實際情況進行調整，利用ANSYS 分析和再次設計，使安全性和可靠性提高。

用ANSYS 分析光伏支架，可以直觀地顯示不容易觀察到的位置，更直觀的表現結構變形和應力分布，此研究方法可以用于光伏支架主要零部件的優化和改進，可以模擬光伏支架在各種工況下的情況，直觀的看出不利點，避免后期使用問題的出現，預先評估光伏支架的特質。