邵雨化，吉曉民，白曉波

（西安理工大學，陜西 西安 710048）

0 引言

太陽能電池層壓機架體均為鋼架結(jié)構(gòu)，為了有效降低成本，增加架體強度，需要對架體結(jié)構(gòu)進行有效的結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化。目前，眾多學者在結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面做了大量的工作，文獻[1]對車架進行有限元分析，并通過Matlab工具箱中的遺傳算法，方便的解決了各種優(yōu)化問題，引用了在Matlab中調(diào)用ANSYS的方法，實現(xiàn)了Matlab與ANSYS的數(shù)據(jù)傳遞，并用該方法對以鋼質(zhì)框架結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，驗證了此方法的可行性。文獻[2]以雙層客車車身骨架有限元為基礎(chǔ)，利用正交實驗法方法，對焊接結(jié)構(gòu)體進行了分析優(yōu)化。本文所要優(yōu)化的是層壓機，其體積大結(jié)構(gòu)復雜，很難建立優(yōu)化數(shù)學模型，若單純選用有限元軟件，只能進行分析而不能進行優(yōu)化，為此筆者選用正交實驗法與有限元相結(jié)合的方法，得到了理想結(jié)果。

1 層壓機結(jié)構(gòu)及工作過程

1.1 層壓機結(jié)構(gòu)

層壓機，是太陽能電池組件的封裝設(shè)備之一。是把玻璃、EVA、銜接的雙體電池、EVA、負板這幾層物質(zhì)壓合在一起的機械裝備。層壓封裝時，電池各組成部分之間通常用EVA（乙烯－醋酸乙烯共聚物）膠膜粘結(jié)，而且要將其放入層壓機內(nèi)加壓、加熱，并抽真空，以消除電池板內(nèi)的氣泡，增加使用壽命[3,4]。抽真空時，層壓機的架體會周期性地受到箱體的壓力，而且如果層壓機層壓過程中變形過大，將導致電池板的破碎率增高，因此要滿足一定的強度和高度要求[5]。

某企業(yè)生產(chǎn)的大循環(huán)電池組件層壓機由架體、下真空室、起升絞架、上真空室、加熱板、起升氣缸六部分組成。用Solidworks建立模型如圖1所示。

其架體部分笨重不易運輸，生產(chǎn)加工成本高，封裝效果不理想。該架體中，立柱、橫梁和H型鋼為主要承重構(gòu)件，來自下箱體和上箱體的壓力9.2t力作用在H型鋼表面。本課題結(jié)合太陽電池的封裝層壓工藝過程，對架體進行了強度剛度分析與改進設(shè)計。

1.2 層壓機的工作過程

層壓機主要機械部分工作過程如圖2所示。

在上面兩個過程中，下室處于真空狀態(tài)，在大氣壓力作用下，上蓋受到向下的壓力。然后利用設(shè)置在前面的起升鉸架，將上蓋打開，取出電池片。開蓋時，下室充氣，上室抽空，使放電池組件的下腔氣壓與大氣壓平衡，利用設(shè)置在架體前面的起升絞架將上蓋打開，再繼續(xù)進行下一塊電池板的封裝[6]。

2 層壓機架體3D模型的建立

由于本文采用正交實驗法來進行設(shè)計，因此，先用Solidworks三維建模軟件建立原來的架體模型，然后導入ANSYS分析軟件對實體進行分析。在分析的過程中，由于分析軟件劃分網(wǎng)格時在小尺寸處容易出現(xiàn)問題，現(xiàn)將各型材倒角去掉，各邊建模時均用直角表示。

太陽能電池組件層壓機架體都是由Q235A方鋼、矩管、鋼板、H型鋼及槽鋼等幾種工程型材焊接而成。整體尺寸為（4900×2792×2140）mm， 重量為 2.123t。 由于該實體ANSYS分析軟件來說體積過大，為了縮短計算時間，經(jīng)過多次模擬試驗，現(xiàn)將原來架體簡化為圖3所示。

簡化后的架體應(yīng)力應(yīng)變變化趨勢與原來的架體相同，如表1所示，兩模型B和B1同一情況下最大應(yīng)力及變形趨勢。

表1 原架體與簡化后模型應(yīng)力變形對照表Tab.1 The original frame body and simplified model stress deformation crosswalks

3 有限元分析

（1）有限元模型的建立。將建好的Solidworks模型存成.x-t文件，導入ANSYS里面進行有限元分析。

（2）定義約束及載荷[7]。層壓過程對于架體來說，所承受的最大壓力發(fā)生在壓合階段，上室和下室相當于一個密封的整體，架體主要受到的力是來自上箱體和下箱體的重力P為9.2t，建立力學模型為9.2t的力施加在H型鋼表面形成均布載荷p，模型中有5個長度L為2752mm，寬度為200mm的H型鋼，共同來承擔壓力。對地腳進行六自由度限制。載荷為：

式中：L—H型鋼的長度；d—H型鋼的寬度尺寸；n—H型鋼的個數(shù)。

（3）定義材料特性。定義材料的特性要盡量符合材料本身的性質(zhì)，本鋼架結(jié)構(gòu)用的是Q235A碳素鋼。因為模型是在mm單位制下，現(xiàn)將其材料特征定義為：彈性模量EX=2e5Mpa；泊松比PRXY=0.3；密度DENS=7.8e-9tonne/mm3。

（4）網(wǎng)格劃分[8]。該架體結(jié)構(gòu)復雜，各型鋼壁厚不同，要進行六面體劃分比較困難，所以選擇用Solid92單元類型劃分四面體網(wǎng)格。因該架體較大，如果做整體網(wǎng)格劃分圖，網(wǎng)格劃分情況不能很好地顯示，而且劃分時間過長。鑒于該結(jié)構(gòu)對稱，可采用架體的1/4進行網(wǎng)格劃分體現(xiàn)整體劃分效果。

（5）應(yīng)力求解分析。層壓機架體在工作過程中，受到上箱體和下箱體的重力作用，沒有運動，所以將其定義在靜力學范圍內(nèi)。根據(jù)模型中定義的約束及載荷，計算模型在工作過程中的應(yīng)力、應(yīng)變及變形。結(jié)構(gòu)的靜力分析結(jié)果是最大變形為1.262mm，在第一個H型鋼中部；最大應(yīng)力出現(xiàn)在角立柱與橫梁的焊接處，達到了139.46MP，已經(jīng)超過了所用材料的許用應(yīng)力。

4 優(yōu)化

本文是對層壓機架體結(jié)構(gòu)的研究，在外形尺寸不變的情況下，減少架體的質(zhì)量，提高整體強度。對于該架體的優(yōu)化，設(shè)計變量很多，除了桿件的個數(shù)、截面尺寸，空間方位尺寸外，還涉及到桿件的取舍等拓撲優(yōu)化關(guān)系，給運用編程優(yōu)化造成了很大的困難。因此，選擇正交實驗法作為這次設(shè)計的基礎(chǔ)，從而得到多目標多變量的優(yōu)化設(shè)計實驗結(jié)果，找到有顯著影響的因素和水平，從而得到最佳組合[9]。

通過對原層壓機架體進行有限元分析后，可以發(fā)現(xiàn)原來架體的變形量和最大應(yīng)力都較大，無法保證產(chǎn)品的質(zhì)量和成品率，所以在橫梁與H型鋼之間加以鋼塊焊接，H型鋼的中部加立柱，經(jīng)過有限元分析軟件ANSYS分析后，最大應(yīng)力值為74.7MPa，最大變形值為0.554mm，使得架體的應(yīng)力及變形情況有了明顯的改善。對基礎(chǔ)改善后的模型運用正交試驗法繼續(xù)進行優(yōu)化。具體情況見表2所示。

表2 最大應(yīng)力、變形對照表Tab.2 Maximum stress,deformation crosswalks

（1）優(yōu)化目標[2]。先定義原架體的總體質(zhì)量為m0，最大應(yīng)力為σmax0，最大變形為vmax0。優(yōu)化后的總體質(zhì)量為m，最大應(yīng)力為σmax，最大變形為vmax。優(yōu)化目標：m，σmax， vmax。 約束條件： m＜m0， σmax＜130MPa， vmax＜1.0mm。

（2）評價指標。根據(jù)原架體及架體作相應(yīng)變動后多個模型有限元分析后的結(jié)果，現(xiàn)列出此架體結(jié)構(gòu)優(yōu)化可用的正交表如表3所示。

根據(jù)上面的正交表可以看出，此試驗為四因素三水平， 記為 LX（34）， 其中 x 為實驗次數(shù)，（34）表示全面實驗次數(shù)（不用正交實驗法），常規(guī)安排試驗為34=81，采用正交實驗法實驗次數(shù)大為減少 （正交實驗用部分實驗去的全面實驗效果）?，F(xiàn)利用正交表安排實驗如表4所示。

（3）實驗結(jié)果。用Solidworks三維建模軟件，根據(jù)實驗表建立相應(yīng)實體模型，導入ANSYS分析軟件后，得到實驗結(jié)果如表5所示。實驗編號為1的實驗結(jié)果顯示，雖然最大應(yīng)力，最大變形小但總體重量較高，實驗編號為5的，雖然總體質(zhì)量減少但應(yīng)變應(yīng)力過大；從實驗結(jié)果表的數(shù)值，綜合分析優(yōu)選第六組實驗為最后優(yōu)化結(jié)果，現(xiàn)將第六組實驗的簡化模型復原，導入ANSYS分析軟件后，整合數(shù)據(jù)如表6所示。在優(yōu)化后架體整體質(zhì)量減輕了668kg，減輕的重量是原來的28.3%，而且優(yōu)化后的最大應(yīng)力減少了42.5MP，最大變形減少了0.417mm，各方面性能有了明顯改善，這更增強了架體的可靠性，達到了預期的效果。

表3 架體實驗正交表Tab.3 Frame body experimental orthogonal table

表4 實驗表Tab.4 The experiment table

表5 實驗結(jié)果Tab.5 The experimental results

表6 實驗結(jié)果對照表Tab.6 The experimental results table of comparisons

5 結(jié)論

正交實驗法是用來解決多輸入多輸出問題的一種優(yōu)化方法，能夠簡單、直觀的列出實驗表，而ANSYS又是通用大型有限元分析軟件。本文充分利用了二者的優(yōu)勢，實現(xiàn)了ANSYS的強大分析功能與正交實驗法的有機結(jié)合，對典型鋼材框架結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，驗證了該方法的可行性。結(jié)合本文實驗數(shù)據(jù)，可得出結(jié)論如下：①在設(shè)計結(jié)構(gòu)架體時H型鋼的型號對架體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形和質(zhì)量都有較大影響；②H型鋼的個數(shù)不宜過大，影響架體的簡約性，所以在滿足強度要求的基礎(chǔ)上要盡量少排布；③立柱個數(shù)對質(zhì)量的影響不大，但對架體的應(yīng)力和變形影響較大；④方鋼的壁厚，對架體的質(zhì)量的影響較大，但壁厚太小明顯影響架體結(jié)構(gòu)性能，所以應(yīng)綜合考慮以上特征，從而做出正確的選擇。

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