吳衛(wèi)國(guó)，汪建曉*，陸守強(qiáng)，李冬梅

（1.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東佛山528225；2.廣東順德創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究院，廣東佛山528311）

能源是人類進(jìn)步、社會(huì)發(fā)展的推進(jìn)器，隨著全球經(jīng)濟(jì)和工業(yè)的快速發(fā)展，化石燃料等非可再生能源消耗日益劇增。大量非可再生能源的使用，引出了一系列問(wèn)題，例如全球氣候變暖、溫室效應(yīng)的產(chǎn)生、海平面上升、大氣污染以及化石燃料等非可再生能源的日益枯竭。

這一系列的問(wèn)題，迫使人們大力開發(fā)、使用可再生的綠色無(wú)污染的新能源［1］。其中太陽(yáng)能能源開發(fā)利用最為廣泛，相應(yīng)的太陽(yáng)能設(shè)備也較為成熟。離網(wǎng)太陽(yáng)能光伏儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)［2-3］就是利用太陽(yáng)能光伏板將太陽(yáng)的輻射能量轉(zhuǎn)換成電能，通過(guò)太陽(yáng)能充放電控制器向負(fù)載供電和向蓄電池充電，在無(wú)陽(yáng)光和夜晚中，蓄電池能夠作為電源為負(fù)載供電。離網(wǎng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)一般應(yīng)用于寬廣的草原地帶、偏遠(yuǎn)山區(qū)、孤立海島或一些偏僻的無(wú)電地區(qū)，其主要工作在戶外環(huán)境中。

離網(wǎng)光伏儲(chǔ)能一體機(jī)是離網(wǎng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)的主要組成部分，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性直接影響整個(gè)系統(tǒng)的安全性與使用壽命。本文首先利用ANSYS Workbench對(duì)離網(wǎng)光伏儲(chǔ)能一體機(jī)進(jìn)行靜力學(xué)與模態(tài)分析［4-5］，找出整機(jī)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，針對(duì)結(jié)構(gòu)的薄弱部環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。然后通過(guò)對(duì)整機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)［6-8］，提高其結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度和振動(dòng)特性。最后對(duì)優(yōu)化后的整機(jī)模型進(jìn)行靜力學(xué)與模態(tài)分析，仿真結(jié)果表明，優(yōu)化后的離網(wǎng)光伏儲(chǔ)能一體機(jī)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度以及振動(dòng)特性得以較大的提高，滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求，為離網(wǎng)光伏儲(chǔ)能一體機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一種方法和依據(jù)。

1 有限元仿真分析理論基礎(chǔ)

根據(jù)牛頓第二定律可得動(dòng)力學(xué)平衡方程通式，即

其中，M為質(zhì)量矩陣，C為阻尼矩陣，K為剛度矩陣，x為位移矢量，F(xiàn)（t）為力矢量，為速度矢量，為加速度矢量。

在線性靜力學(xué)分析中，由于時(shí)間因素不影響分析結(jié)果，因此將與時(shí)間相關(guān)的量都忽略，式（1）可簡(jiǎn)化為

模態(tài)分析是計(jì)算結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的數(shù)值技術(shù)，是最基本動(dòng)力學(xué)分析，也是其他動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)。通過(guò)模態(tài)分析可以確定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，從而進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得在實(shí)際工作中能夠有效地避免因共振因素造成結(jié)構(gòu)的損壞。在一般的模態(tài)分析中，沒有外界激勵(lì)載荷并且忽略阻尼的作用，因此式（1）可簡(jiǎn)化為

當(dāng)發(fā)生自由簡(jiǎn)諧振動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)方程可簡(jiǎn)化為

2 離網(wǎng)光伏儲(chǔ)能一體機(jī)有限元分析

離網(wǎng)光伏儲(chǔ)能一體機(jī)主要由機(jī)架結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)能電池模塊、變壓器模塊以及主控器模塊等構(gòu)成，其外觀尺寸為590 mm×300 mm×600 mm。其中離網(wǎng)光伏儲(chǔ)能一體機(jī)整機(jī)機(jī)架分成三層倉(cāng)，最底層用于承載儲(chǔ)能電池模塊，中間層用于承載變壓器模塊，頂層用于放置逆變集成主控制器模塊。每一層都設(shè)有相配合的方形鈑金件作為支撐底板，其外圍用鈑金板件進(jìn)行外觀封裝設(shè)計(jì)，通過(guò)螺栓和焊接將板材與機(jī)架框架結(jié)構(gòu)緊固相連。其離網(wǎng)光伏儲(chǔ)能一體機(jī)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 離網(wǎng)光伏儲(chǔ)能一體機(jī)結(jié)構(gòu)

2.1 實(shí)體模型建立

由于部分零件外形較為復(fù)雜，為了便于進(jìn)行有限元仿真，對(duì)離網(wǎng)光伏儲(chǔ)能一體機(jī)機(jī)架進(jìn)行模型簡(jiǎn)化處理，將簡(jiǎn)化忽略的部分零部件以力的形式加載在離網(wǎng)光伏儲(chǔ)能一體機(jī)上，其簡(jiǎn)化的模型如圖2所示，將簡(jiǎn)化后的三維立體模型保存為*.x_t文件格式。

2.2 網(wǎng)格劃分與材料屬性定義

將簡(jiǎn)化后的三維立體模型導(dǎo)入ANSYS Workbench平臺(tái)中，進(jìn)行材料屬性定義操作與網(wǎng)格劃分。

（1）材料屬性定義。因?yàn)殄冧\鋼板與鋁合金材料具有抗拉強(qiáng)度強(qiáng)、可靠性好、耐氧化、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，所有離網(wǎng)儲(chǔ)能一體機(jī)機(jī)架選用鍍鋅鋼板和鋁合金作為材料，其材料屬性參數(shù)如表1所示。

表1 材料屬性參數(shù)

（2）網(wǎng)格劃分。使用網(wǎng)格劃分工具對(duì)離網(wǎng)光伏儲(chǔ)能一體機(jī)簡(jiǎn)化的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分操作和網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置，設(shè)置網(wǎng)格尺寸單元為10 mm，平滑度為中等，參數(shù)設(shè)置完成后，進(jìn)行網(wǎng)格劃分求解，其網(wǎng)格劃分后的結(jié)果如圖3所示。該模型劃分成134 110個(gè)單元，共279 939個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖2 簡(jiǎn)化的離網(wǎng)光伏儲(chǔ)能一體機(jī)

圖3 網(wǎng)格劃分后的模型

2.3 施加邊界載荷

進(jìn)行有限元力學(xué)仿真分析時(shí)，需根據(jù)離網(wǎng)光伏儲(chǔ)能一體機(jī)實(shí)際工作受到載荷的作用，施加邊界載荷。根據(jù)離網(wǎng)光伏儲(chǔ)能一體機(jī)機(jī)架自重與安裝在機(jī)架上的零部件造成的壓力作用，對(duì)其底部4個(gè)固定底座進(jìn)行固定位移約束。儲(chǔ)能電池模組質(zhì)量約為30 kg，逆變器模塊質(zhì)量約為0.5 kg，主控制器模塊質(zhì)量約為1 kg。以壓力分量294、4.9、9.8 N的集中應(yīng)力分別施加至各層支撐板上。

3 離網(wǎng)光伏儲(chǔ)能一體機(jī)的靜力學(xué)與模態(tài)分析

3.1 靜力學(xué)分析

對(duì)離網(wǎng)光伏儲(chǔ)能一體機(jī)有限元分析模型施加邊界載荷后，進(jìn)行靜力學(xué)求解計(jì)算和結(jié)果后處理［9-10］。為了便于觀察整機(jī)的內(nèi)部變形情況，使用Slice Planes切開未發(fā)生變形的前面板部分，得到離網(wǎng)光伏儲(chǔ)能一體機(jī)整體結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力云圖與總形變位移云圖，分別如圖4、5所示。

圖4 等效應(yīng)力云圖

由圖4、5可知，離網(wǎng)光伏儲(chǔ)能一體機(jī)的應(yīng)力主要集中于底層倉(cāng)支撐板以及側(cè)板附近區(qū)域中，其最大的應(yīng)力集中于底層倉(cāng)支撐板與側(cè)板處，最大值為35.125 MPa。整機(jī)結(jié)構(gòu)中的兩側(cè)板以及各層倉(cāng)的支撐板都存在大面積的變形，其中底層倉(cāng)支撐板中間區(qū)域的變形值最大為1.433 8 mm，整機(jī)結(jié)構(gòu)存在較大面積的變形量，需進(jìn)一步進(jìn)行整機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而提高整機(jī)的剛度。

圖5 總形變位移云圖

3.2 模態(tài)分析

對(duì)離網(wǎng)光伏儲(chǔ)能一體機(jī)進(jìn)行模態(tài)分析，得到結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型［11］。根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果，判斷離網(wǎng)光伏儲(chǔ)能一體機(jī)的固有頻率與變壓器模塊的振動(dòng)頻率是否一致或者在其范圍內(nèi)引起共振現(xiàn)象。

使用ANSYS Workbench仿真軟件，對(duì)離網(wǎng)儲(chǔ)能一體機(jī)進(jìn)行模態(tài)分析，仿真求解計(jì)算后，提取其前6階固有頻率，前6階的固有頻率和振型變形情況，如表2所示，前6階振型變化如圖6所示。

表2 離網(wǎng)光伏儲(chǔ)能一體機(jī)前6階固有頻率與振型

由表2可知，離網(wǎng)光伏儲(chǔ)能一體機(jī)前6階固有頻率為31.008～58.038 Hz。由圖6可知，第1階振型整機(jī)側(cè)板左右發(fā)生較大的振動(dòng)，其頂板、底層倉(cāng)支撐板上下發(fā)生輕微的振動(dòng)（圖6a）；第2階振型整機(jī)側(cè)板左右發(fā)生較大的振動(dòng)（圖6b）；第3、4階振型相似，中間層以及上層倉(cāng)支撐板上下振動(dòng)（圖6c、d）；整機(jī)側(cè)板左右發(fā)生較大的振動(dòng)以及頂板、底板、中間層支撐板上下振動(dòng)（圖6e）；整機(jī)側(cè)板左右方向發(fā)生較大振動(dòng)以及頂板、底板上下輕微振動(dòng)（圖6f）。離網(wǎng)光伏儲(chǔ)能一體機(jī)的振源主要來(lái)源于變壓器模塊，其振動(dòng)頻率為50～60 Hz。由此可知，離網(wǎng)光伏儲(chǔ)能一體機(jī)的前6階固有頻率與變壓器模塊的振動(dòng)頻率較為接近，容易引起共振現(xiàn)象，需對(duì)離網(wǎng)儲(chǔ)能一體機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高其固有頻率屬性，從而避免產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

圖6 離網(wǎng)光伏儲(chǔ)能一體機(jī)的前6階振型圖

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析

4.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)

本文主要從以下兩個(gè)方面對(duì)離網(wǎng)光伏儲(chǔ)能一體機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)［12］。

（1）將離網(wǎng)光伏儲(chǔ)能一體機(jī)設(shè)計(jì)成雙層倉(cāng)結(jié)構(gòu)，使得整機(jī)結(jié)構(gòu)高度縮減至460 mm，上層倉(cāng)用于放置變壓器模塊與主控器模塊，下層倉(cāng)用于放置儲(chǔ)能電池模塊。通過(guò)該設(shè)計(jì)使得整機(jī)結(jié)構(gòu)更加緊湊，最終優(yōu)化設(shè)計(jì)整機(jī)尺寸為540 mm×300 mm×460 mm。

（2）由于離網(wǎng)光伏儲(chǔ)能一體機(jī)整機(jī)振動(dòng)較大，為了使得其整機(jī)結(jié)構(gòu)更加牢固，在整機(jī)內(nèi)部增加一個(gè)鋁合金框架作為支撐架，其鋁合金支撐架結(jié)構(gòu)如圖7所示?？紤]儲(chǔ)能電池模塊質(zhì)量較重，底層架加入兩根鋁合金方型材作為支撐加固作用，在上層倉(cāng)支撐架與頂板支架上分別加入鋁合金方型材進(jìn)行加固，周邊的鈑金件通過(guò)螺栓、螺釘以及角碼件與鋁合金框架緊固連接在一起。

圖7 鋁合金支撐架結(jié)構(gòu)

4.2 優(yōu)化后靜力學(xué)與模態(tài)分析

對(duì)優(yōu)化后的離網(wǎng)光伏儲(chǔ)能一體機(jī)進(jìn)行靜力學(xué)與模態(tài)仿真分析，經(jīng)材料屬性定義、網(wǎng)格劃分、定義邊界條件后，求解計(jì)算得到其優(yōu)化后的整機(jī)靜力學(xué)分析的結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力云圖、總形變位移云圖分別如圖8、9所示，整機(jī)模態(tài)分析的前六階固有頻率、振型分別如表3、圖10所示。

圖8 優(yōu)化后等效應(yīng)力云圖

圖9 優(yōu)化后整機(jī)結(jié)構(gòu)總形變位移云圖

表3 優(yōu)化后的離網(wǎng)光伏儲(chǔ)能一體機(jī)前6階固有頻率

圖10 優(yōu)化后的離網(wǎng)光伏儲(chǔ)能一體機(jī)前6階固有頻率

由靜力學(xué)與模態(tài)分析結(jié)果可知，離網(wǎng)光伏儲(chǔ)能一體機(jī)經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，發(fā)生在底層倉(cāng)支撐板上的最大位移變形量由1.433 8 mm減少至0.209 6 mm，最大應(yīng)力由35.125 MPa降低至12.013 MPa。相比優(yōu)化前，優(yōu)化后離網(wǎng)光伏儲(chǔ)能一體機(jī)的最大位移變形量減少了85.4%，最大應(yīng)力降低了65.8%，其前6階固有頻率提升至143.04～184.78 Hz之間，有效避開了振源變壓器的振動(dòng)頻率50～60 Hz。表4結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)大大提高了整機(jī)的剛度與強(qiáng)度。

表4 離網(wǎng)光伏儲(chǔ)能一體機(jī)優(yōu)化前后參數(shù)對(duì)比

5 小結(jié)

本文以離網(wǎng)光伏儲(chǔ)能一體機(jī)為研究對(duì)象，利用ANSYS Workbench有限元軟件對(duì)其整機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)與模態(tài)分析，仿真分析發(fā)現(xiàn)，離網(wǎng)光伏儲(chǔ)能一體機(jī)的振動(dòng)較大且與變壓器模塊振動(dòng)頻率接近，易引起共振現(xiàn)象。以提高離網(wǎng)光伏儲(chǔ)能一體機(jī)的強(qiáng)度、剛度以及固有頻率為優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)，對(duì)整機(jī)模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的整機(jī)模型進(jìn)行靜力學(xué)和模態(tài)分析仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的整機(jī)模型強(qiáng)度、剛度和整機(jī)固有頻率得以大幅度的提高，從而有效地使得離網(wǎng)光伏儲(chǔ)能一體機(jī)與變壓器模塊避免發(fā)生共振現(xiàn)象，為離網(wǎng)光伏儲(chǔ)能一體機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種方法和依據(jù)。