发布时间：2018/7/24 17:04:29 来源：本站
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。
图1 太阳能路灯的几何模型
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。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10m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=
0.00045MPa×1956mm×992mm×sin40°=561N
F杆身=σ×A2
将上述风载施加在灯杆相应的位置。为了考虑灯杆各部分重力的影响，设置所有材料的重力加速度为9.8 m/s2。
路灯灯杆的最大变形为191.2mm，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。
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
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。
对10m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10m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10m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。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。
通过对10m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。
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