金山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 徐 萌 金海新源電氣江蘇有限公司 蔡 雄

引言

隨著我國一些高性能的計算機(jī)工作站技術(shù)涌現(xiàn)和先進(jìn)的數(shù)值測量實時檢測試驗技術(shù)手段的發(fā)展與普及，數(shù)值仿真以其所具有的應(yīng)用范圍廣、方便快捷、靈活性好、節(jié)約了人力物力、安全性好、并且能夠?qū)崟r顯示各類結(jié)構(gòu)內(nèi)部狀態(tài)等特點而被廣泛應(yīng)用于航空飛行、汽車工業(yè)、生物醫(yī)療、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、輕型機(jī)器、微電子系統(tǒng)、運(yùn)動儀表等領(lǐng)域的規(guī)劃與設(shè)計。

目前常見的數(shù)值仿真有限元分析軟件可以廣泛應(yīng)用于對各種空間結(jié)構(gòu)的位移場、應(yīng)力學(xué)場、溫度學(xué)場、電磁學(xué)場等進(jìn)行數(shù)值仿真和分析，彌補(bǔ)了我們在設(shè)計和進(jìn)行手算分析時不能正確考慮到這種結(jié)構(gòu)實際效果的缺點。太陽能光伏支架主要指的是一種利用發(fā)電系統(tǒng)光伏模塊板系統(tǒng)二維次梁、主橋和支撐柱共同組合而成的空間性構(gòu)件，支架與光伏模塊板之間通過扣夾作用來傳遞負(fù)載。它作為一個重要的機(jī)械支撐零部件，是其中必不可少的部分。

新型能源通常都是在我國的邊遠(yuǎn)或者更多的地區(qū)，或者說也就是像海島這樣環(huán)境復(fù)雜的地區(qū)，需要經(jīng)過非常困苦的物料搬送和使用過程，才可以準(zhǔn)確地到達(dá)所需要的設(shè)備。新時期現(xiàn)代的各種儲能設(shè)備一般是直接通過選擇在一個儲能機(jī)柜里面的位置來對其他儲能設(shè)備的單臺進(jìn)行安裝，設(shè)備的每個重量都可以說是比較大，有些情況下將儲能設(shè)備的每個單臺的重量控制在1.5t 左右。要求與其相配套的箱體必須具有良好的靜負(fù)荷及可以承受的動載負(fù)荷。

在其吊裝、運(yùn)輸、安裝、耐震等各個環(huán)節(jié)對于其技術(shù)性質(zhì)的要求都應(yīng)該是極高的，這種類型機(jī)柜具體的強(qiáng)度將會直接影響該種設(shè)備生產(chǎn)和使用過程中的安全性。目前，關(guān)于電力儲能裝置在國內(nèi)應(yīng)用的研究和推廣仍然還處于試點階段，還沒有一種是針對電力儲能裝置而進(jìn)行開發(fā)研制出來的重載、耐震式機(jī)柜。一般都是為了選擇一些電力行業(yè)經(jīng)常會采用的機(jī)柜種類，例如c 型型材、9折型材、16折型材、但這幾種電力行業(yè)經(jīng)見到這些機(jī)柜的最高抗震承載力并不可能大于或超過lt，如果所需要采用的環(huán)保抗震承載力的要求應(yīng)該是在最低抗震烈度7級以上，此類電力行業(yè)機(jī)柜的最高抗震承載力也是明顯不足。

太陽能光伏支撐是一種大型空間結(jié)構(gòu)，它由次橋、主橋和支撐柱等組成。在這里以有限元軟件為基礎(chǔ)作為理論的依據(jù)，對光伏支架的設(shè)計方案進(jìn)行了位移場、應(yīng)力場的大小和數(shù)值仿真與分析。在我們的研究和分析這一點的工作過程中，充分考慮了鋼材結(jié)構(gòu)的時效性和作用效果，并為大家提供了一種基于有限元的方法來研究和分析鋼材類型最優(yōu)選擇的研究方法。

1 平單軸跟蹤支架原理介紹

當(dāng)今市場上最為主流的追溯儀有平式與垂直單軸追溯儀、傾斜式與雙軸追溯儀。所采用的跟蹤算法各自都有其特點，十分多樣。下面就要著重闡述如何在本文中采用天文算法對其進(jìn)行追蹤：知道了一個項目點所在地的太陽經(jīng)緯度及其大小等相關(guān)信息、就能夠使用先進(jìn)的太陽天文學(xué)追溯算法、計數(shù)得出實際地點太陽的高度偏角及其方位偏角、通過調(diào)節(jié)追溯儀到所需要的太陽角度、便可以進(jìn)行實時跟蹤。

平單軸跟蹤器的軸向一般是采用南北軸，其運(yùn)行基本原理是確保組件在東西方向上跟太陽光線成直角，所以平單軸跟蹤器跟蹤的是太陽的方位角而不是高度角。由于跟蹤的范圍一般是在-60°～60°，如果組件實時跟著太陽追蹤，在早上或傍晚太陽高度角較小的時候，需要的跟蹤角度一般會超過跟蹤范圍，而停留在±60°位置，此時前面一排組件會對后面一排產(chǎn)生遮擋。

對于一種水平單邊跟蹤系統(tǒng)，如果我們接受反向跟蹤，不僅可以縮小質(zhì)量范圍，而且為了使光伏板完好無損，可以解決這個跟蹤系統(tǒng)面臨的許多問題，如光伏生產(chǎn)能力和場地面積的選擇。確定了支持是否應(yīng)使用回溯算法來顯著提高維護(hù)能量的產(chǎn)生，我們?nèi)匀恍枰_定追蹤支援東西方之間的距離。由于東西方之間的距離很大，回溯算法遲早會啟動的可能性相對較小，因此我們可以保證從整個平面組件獲得的輻射相對較大。當(dāng)然，實際空間間隔的選擇還必須考慮地球的總表面積，可廣泛使用。

2 追跟蹤算法

早上和傍晚的時候，支架能夠反向旋轉(zhuǎn)，使前排組件陰影剛好沒遮到后排，實現(xiàn)入射角最大、發(fā)電量最大的目標(biāo)。跟蹤角度的計算為南北軸向平單軸，某一個時刻的高度為太陽位置，高度偏轉(zhuǎn)角為α、方位偏轉(zhuǎn)角為β，根據(jù)三角函數(shù)的關(guān)系式即得到θ=arctan(tanα/sinβ)，正常進(jìn)行跟蹤時，追溯器上的各個組件都會跟隨太陽運(yùn)行的軌跡發(fā)生變化而進(jìn)行運(yùn)動，其中跟蹤器的運(yùn)行基本原理，就是為了確保各個組件都處于東西兩個方向上跟蹤中的太陽光線呈一個直角，因此，正常情況下追蹤角γ 和夾角θ 恒有γ+θ=90°。

2.1 追跟蹤時角度的計算

假設(shè)某項目平單軸跟蹤支架組件縱向雙排安裝、2×10塊組件。寬度3.32米、長度10.1米、跟蹤范圍-45°～45°，使用PVsyst 模擬得到輸出結(jié)果。以1月1日為例，早上的九點和十點時刻，太陽的高度角分別為5.81°和15.16°，根據(jù)上述公式可計算得到太陽高度角的東西分量θ分別為7°和20.8°，理論上為了保證輻射的最大化，跟蹤角度應(yīng)為83°和69.2°，但是此時均超過了跟蹤范圍45°，因此如果沒有采用逆跟蹤技術(shù)，此時的追蹤角度為45°。如果采用逆跟蹤，根據(jù)上述公式可計算得到分別為10°和37°。

2.2 追跟蹤對發(fā)電量的影響

逆向跟蹤對發(fā)電量的影響在使用PVsyst 軟件計算逆跟蹤對發(fā)電量的影響，需要考慮以下兩點：無論是否采用逆跟蹤技術(shù)，光伏方陣接受的直接輻射并沒有變，散射和反射可能有變化，一般情況下逆跟蹤的反而變小，也就是說，如果在PVsyst 軟件中采用“線性遮擋”模式，那么逆跟蹤方式的發(fā)電量反而會略?。蝗绻赑Vsyst 軟件中采用第三種陰影計算模式（根據(jù)Layout 組串連接模式），那么逆跟蹤應(yīng)有明顯的優(yōu)勢。

3 有限元模型

3.1 位移場分析結(jié)果

太陽能支架次梁位移場在次梁光伏板在均布荷載作用下，主梁約束處位移較小，跨中截面位移相對較大。其中最大撓度為11mm，出現(xiàn)在跨中截面。次梁兩端由于受到光伏板和主梁的空間約束作用，豎向位移最小、僅為0.07mm。計算結(jié)果符合連續(xù)梁在均布荷載作用下的位移分布規(guī)律。

3.2 應(yīng)力場分析結(jié)果

梁次半徑中間部分的電壓是增加壓力和減少壓力，而支撐部分的張力則是增加張力和降低壓力。鑒于光伏板的強(qiáng)大空間限制對支撐部分的變形次梁，最大次梁電壓出現(xiàn)在支架的上側(cè)，最大荷載值為128MPa。范圍中心的最大張力電壓僅為68MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于根據(jù)簡單持續(xù)次梁手動計算的最大荷載，不考慮光伏板的剛度。

因此，精細(xì)元件模擬分析可能反映不同截面之間的張力分布，準(zhǔn)確確定結(jié)構(gòu)張力最大張力的位置，檢查復(fù)雜的工作條件和邊界條件，以及人工計算過程中無法考慮的，并為工程設(shè)計提供整體位移和耐久性數(shù)據(jù)。此外，中心線張力的最大張力為59MPa，通過主梁和次梁的精細(xì)單元法計算的最大拉應(yīng)力，小于鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，支撐結(jié)構(gòu)的承載力安全可靠。

3.3 抗傾覆分析結(jié)果

僅考慮風(fēng)電貨物最不利的反轉(zhuǎn)狀態(tài)，設(shè)計風(fēng)荷載值為0.57kN/m2。光伏板單元用于施工，設(shè)計值為0.12kN/m2。主梁和立柱中心的最大張力為48MPa，邊梁與柱交叉處的最大拉力為47MPa，小于鋼材的抗拉強(qiáng)度。用于連接部件的平均扣為10kN、側(cè)扣為8kN。在風(fēng)作用的情況下，接觸元件的法向力應(yīng)分別為2.64kN 和2.58kN，小于皮帶扣的抗拉能力。因此，在不利風(fēng)況下，結(jié)構(gòu)反演計算是安全的。

4 基于有限元分析的支架優(yōu)化設(shè)計

在我們進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計時，某些類型的機(jī)械結(jié)構(gòu)是在某種程度上由實際工作所取決于現(xiàn)場的數(shù)值和實用公式。很難確定實際應(yīng)用中的經(jīng)驗數(shù)值，也很難確定它們的最高強(qiáng)度與其優(yōu)化結(jié)構(gòu)間的統(tǒng)一性，有限元分析軟件可以廣泛地應(yīng)用于整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計中。

所謂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，應(yīng)該是指為了在規(guī)定的結(jié)構(gòu)優(yōu)化時間內(nèi)完成需要實現(xiàn)的所有設(shè)計目標(biāo)，并且必須使用所具備的結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)才能夠?qū)崿F(xiàn)具備的最佳指標(biāo)、或者說是具備的最低成本。可以實施拓?fù)鋬?yōu)化與機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化，這為不同種類的機(jī)械產(chǎn)品在實施拓?fù)涑叽绲膬?yōu)化提供了出發(fā)點。

4.1 拓?fù)鋬?yōu)化分析

一般而言，結(jié)構(gòu)優(yōu)化是指將結(jié)構(gòu)的設(shè)計變量依據(jù)不同程度地劃分成三個維度：即對結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化、形狀學(xué)上的優(yōu)化和拓?fù)鋵W(xué)上的優(yōu)化。由于其在結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化與形狀上的優(yōu)化已經(jīng)從較高水平發(fā)展到了更高水平，但仍然有許多缺陷，它們無法完全改變其整體結(jié)構(gòu)拓?fù)洹Ｔ谶@種情況下，人們開始研究拓?fù)鋵W(xué)。

拓?fù)鋵W(xué)的產(chǎn)生與其形成主要遵循兩個根據(jù)性的基本原則：一個就是退化性的原則，另一個就是發(fā)展性的原理。排除動力學(xué)原理的基本思路，在動力學(xué)優(yōu)化之前把所有可能性元件或所有動力學(xué)材料都添加到動力學(xué)結(jié)構(gòu)中，然后建立合適的動力學(xué)優(yōu)化模型，通過一定的動力學(xué)優(yōu)化手段和方法逐漸消除不必要的動力學(xué)結(jié)構(gòu)元素；進(jìn)化動力學(xué)原理的基本思路就是將一個動物發(fā)展的思路引入到一個動力學(xué)結(jié)構(gòu)演變的生存中拓?fù)鋬?yōu)化。它通過模擬人類適者生存、自然的選擇、適者生存等自然機(jī)制來獲得最優(yōu)拓?fù)洹?/p>

4.2 結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化

以拓?fù)鋬?yōu)化獲取的模擬量數(shù)據(jù)作為理論依據(jù)，運(yùn)用了響應(yīng)式曲面優(yōu)化分析模塊來對其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和大小的優(yōu)化。軸向載荷有時可能是在引起支撐層的厚度下降或增大而減小后，沿著該孔軸向運(yùn)動方向變形的范圍逐漸擴(kuò)展，所以我們需要在對該孔的結(jié)構(gòu)和尺寸進(jìn)行優(yōu)化時充分考慮。

機(jī)械設(shè)計的復(fù)雜結(jié)構(gòu)應(yīng)采用精細(xì)元素分析的應(yīng)用方法。靜力分析應(yīng)主要分析二維和三維機(jī)械結(jié)構(gòu)的變形、載荷和張力，這是機(jī)械工程中常見的分析內(nèi)容，對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的分析，需要通過靜力方法對結(jié)構(gòu)荷載進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)，用于研究結(jié)構(gòu)的固定頻率特性和固有振動形式。施加的荷載為位移和應(yīng)力，過渡動力分析可對上述分析進(jìn)行動力分析，分析周期性載荷和非周期性載荷的動態(tài)響應(yīng)。例如，在熱應(yīng)力分析過程中，溫度應(yīng)力可能分析工作結(jié)構(gòu)中的溫度分布，接觸分析可用于分析非活動狀態(tài)，用于生成結(jié)構(gòu)和傳遞機(jī)械結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

通過有限元軟件對各種機(jī)柜設(shè)備進(jìn)行不同應(yīng)用場景下的有限元分析，并根據(jù)實際應(yīng)用場景的情況進(jìn)行測量和實驗驗證，找出各種設(shè)備在機(jī)柜上存在的潛力和風(fēng)險。經(jīng)過多年綜合考慮和測試的結(jié)果，擬采取以下幾個措施，針對電子計算機(jī)系統(tǒng)中的一些薄弱環(huán)節(jié)予以優(yōu)化與改善。

利用ANSYS 軟件進(jìn)行有限元分析，獲取準(zhǔn)確的機(jī)柜應(yīng)力和應(yīng)變模型，并根據(jù)實際工況進(jìn)行試驗驗證，驗證ANSYS 軟件的分析結(jié)果，找出機(jī)柜的薄弱環(huán)節(jié)和潛在危害，并根據(jù)結(jié)果進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化。通過有限元分析及樣柜的試驗驗證，提高了機(jī)柜設(shè)計的準(zhǔn)確性，為機(jī)柜的設(shè)計提供了可靠的依據(jù)。

綜上，有限元分析法就是一種利用數(shù)學(xué)近似的方式對現(xiàn)實物理體系進(jìn)行模擬。在便攜式裝置和設(shè)備塑料殼體的設(shè)計中，需要通過應(yīng)用有限元分析的技術(shù)和方法來建立一個有限元的模型，對系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的分解，優(yōu)化零件的結(jié)構(gòu)，以便利用更小的材料和更低的成本來提高零件的剛度，提升綜合性能，使其滿足工業(yè)設(shè)計的需要。