基于太阳能路灯特殊性，灯杆的参数设计有啥要求？

　　太阳能路灯利用太阳电池的光伏特效应原理,白天太阳电池吸收太阳能光子能量产生电能通过控制器存储在蓄电池里,夜晚蓄电池便开始为光源提供电源[1] 。太阳能是地球上最直接最普遍也是最清洁的能源,作为一种巨量可再生能源,可以说是取之不尽用之不竭。太阳能路灯主要都是采用经验设计的方法,目前对其深入研究不是很多,仍存在很多问题。许嘉梁[2] 指出了太阳能路灯的应用具有造价偏高,受自然因素的限制较多,光照范围窄等缺陷。太阳能路灯最大的缺点就是能量转换效率低,太阳能光伏电池的转换效率约为15% ~19%[3] 。而灯杆是关键件之一,对灯杆的强度计算通常采用力学公式计算来验算灯杆强度的模型,以及最大风载荷时灯杆基座紧固地脚螺栓抗风载荷所能承受能力进行计算。路灯整个构件的受力作用主要分为两大部分:1) 电池组件安装支架的抗风受力,2) 灯杆部分的结构受力采用计算机有限元分析对整个结构构件作受力分析和校核[4-6] 。

　　现就太阳能路灯在风载、雪载以及自身重力作用下灯杆各部分的应力及变形进行有限元分析,在对原有设计灯杆的强度与刚度进行分析的基础上,再对灯杆进行合理的改进设计,以达到提高灯杆的安全性能及节省材料的目的。

　　1　路灯灯杆有限元分析

　　1.1　有限元模型的建立

　　太阳能路灯由地基、法兰、螺栓、灯杆、灯头、太阳能支架、电池板及电池板支架组成。通过SolidWorks 软件建立路灯的三维模型后,直接导入ABAQUS 有限元软件进行分析。太阳能路灯的几何模型如图1 所示。在建立有限元模型时,由于灯杆的基座相对于地面是固定不动的,所以约束基座底端的3 个移动自由度。路灯的地基和灯杆的材料性能参数如表1 所示。支架的材料也采用与灯杆相同的普通钢。

　　1.2　风载作用下路灯灯杆的有限元分析

　　根据建筑结构荷载规范,按照50 年一遇的平原地区10 m 高度风压的设计要求(建筑结构载荷规范—GB50009_2001),来确定施加于灯杆的风载大小。根据太阳能板和灯杆的受风面积计算灯具及杆身表面受风的荷载。

　　F太阳能板=σ×A1 =0.000 45 MPa×1 956 mm×992 mm×sin40° =561 N

　　F杆身=σ×A2

　　将上述风载施加在灯杆相应的位置。为了考虑灯杆部分重力的影响, 设置所有材料的重力加速度为9.8 m/ s2。通过有限元计算,得到太阳能路灯灯杆在风载与自重作用下的整体及部分构件的变形和应力云图如图2、图3。

　　由图2 和图3 可以看出,路灯灯杆的最大变形为191.2 mm,在支架处。路灯灯杆的最大应力发生在蒙板1与灯杆接触的尖点处,由于此处只是尖点与杆身挤压接触,存在明显的应力集中现象,但是软件只能模拟最理想情况,实际上尖点在挤压后发生局部压溃变形,在进行强度分析时可以不予考虑。

　　通过有限元计算得到,高灯杆的最大应为82.8 MPa，发生在高灯杆与蒙板4 接触的迎风面处。矮灯杆的最大应力为63.9 MPa,发生在矮灯杆与蒙板1 接触的背风面处。材料强度及许用应力是根据不同材料、使用场合来规定的,对于Q235 钢材料,其极限应力为235 MPa,安全系数取1.4,则许用应力为168 MPa。显然,高杆灯应力符合强度要求。

　　1.3　雪载作用下灯杆的有限元分析

　　对灯具及杆身表面受的荷载按基本雪压,即重现期为50 年的最大雪压来计算(建筑结构载荷规范—GB50009_2001)。雪载是施加在太阳能电池板上竖直向下的力。

　　F太阳能板=σ×A1 =0.000 4 MPa×1 956 mm×992 mm×cos40° =669 N

　　单独分析雪载引起的应力和变形可知,最大变形发生在支架处,竖直向下的最大位移为5.97 mm。最大应力发生在灯杆的蒙板1 处,最大应力为7.60 MPa。说明雪载引起的应力和位移都小,可见雪载对路灯的影响不大。

　　1.4　风载雪载共同作用下的有限元分析

　　最后再对风载、雪载共同作用下的路灯进行有限元分析。计算发现,路灯的最大变形发生在支架处,变形量为188.2 mm, 最大应力发生在蒙板1 处, 最大应力为137.7 MPa,灯杆的最大应力为82.1 MPa。说明在风载和雪载的共同作用下,路灯整体结构的强度符合要求。

　　1.5　各种载荷的比较

　　下面给出各种工况下各部件的应力与位移对比,表2所示为各部件最大应力对比。

　　从应力对比表2 可以看出,雪载对路灯的影响不大,10 m太阳能路灯在3 种不同工况下工作时,高灯杆的最大应力比矮灯杆的大。灯杆除了局部存在着应力集中而使应力值较大外, 杆身绝大部分地方的应力值均小于82.8 MPa,有一定的优化空间。

　　从表3 中位移可以看出,不同工况下位移值都有所不同,除了雪载,各种工况中高灯杆及支架的变形量都较大,其他地方变形量都比较小,变形的地方符合实际情况,结果比较合理。

　　2　改进设计

　　对10 m 太阳能路灯的结构分析可知,作为主要的承载部件,高灯杆、矮灯杆杆身及支架的强度、刚度影响着10 m 太阳能路灯的使用寿命。为了在保证结构安全的前提下,实现结构轻量化的目的,可以通过改变灯杆的壁厚来改变高杆灯的强度和刚度。根据有限元计算结果,对10 m 太阳能路灯结构提出的改进设计方案为:

　　将高灯杆、矮灯杆的壁厚由3.75 mm 调整到3 mm,同时将电池板支架角钢的壁厚由5 mm 调整到3 mm。

　　将改进后的10 m 太阳能路灯再次导入ABAQUS 软件进行分析,得到路灯各部分的应力、位移云图。表4 所示为路灯优化前后各部件最大应力的对比。

　　由表4 可知,优化后路灯的应力有所增大,但还处于许用应力范围内。灯杆最大应力在高灯杆处为104.0 MPa,其局部应力放大图如图3 所示。虽然此时路灯最大应力较许用应力还有一定差距,理论上还可以再进行优化,但是考虑到材料的疲劳以及软件分析的理想化,不再进行进一步的优化。

　　3　结论

　　通过对10 m 太阳能路灯在风载、雪载以及自身重力作用下的有限元分析,得出路灯各个部件的主要应力与位移情况,并对构件的最大应力进行了分析。最后,对路灯灯杆进行优化设计,优化后两个灯杆的应力有所增大,但仍小于许用应力,位移前后变化不大,都符合要求,优化效果比较理想。