發(fā)布時間：2018/7/24 17:04:29 來源：本站
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(dǎo)入ABAQUS有限元軟件進(jìn)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。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)10m高度風(fēng)壓的設(shè)計要求(建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范—GB50009_2001)，來確定施加于燈桿的風(fēng)載大小。根據(jù)太陽能板和燈桿的受風(fēng)面積計算燈具及桿身表面受風(fēng)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(fēng)載施加在燈桿相應(yīng)的位置。為了考慮燈桿各部分重力的影響，設(shè)置所有材料的重力加速度為9.8 m/s2。
路燈燈桿的最大變形為191.2mm，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)度分析時可以不予考慮。
通過有限元計算得到，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、使用場合來規(guī)定的，對于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年的最大雪壓來計算(建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范—GB50009_2001)。雪載是施加在太陽能電池板上豎直向下的力。
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。說明雪載引起的應(yīng)力和位移都小，可見雪載對路燈的影響不大。
1.4 風(fēng)載雪載共同作用下的有限元分析
最后再對風(fēng)載、雪載共同作用下的路燈進(jìn)行有限元分析。計算發(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)力與位移對比
從應(yīng)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(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，變形的地方符合實際情況，結(jié)果比較合理。
對10m太陽能路燈的結(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10m太陽能路燈的使用壽命。為了在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)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(qiáng)度和剛度。根據(jù)有限元計算結(jié)果，對10m太陽能路燈結(jié)構(gòu)提出的改進(jìn)設(shè)計方案為：
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。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。
通過對10m太陽能路燈在風(fēng)載、雪載以及自身重力作用下的有限元分析，得出路燈各個部件的主要應(yīng)力與位移情況，并對構(gòu)件的最大應(yīng)力進(jìn)行了分析。最后，對路燈燈桿進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化后兩個燈桿的應(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。
 |
||
 |
||
|
||
