范云霄，孔丹，張厚慈

（山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590）

0 引言

太陽(yáng)能熱水器是利用太陽(yáng)能進(jìn)行加熱的熱水器。燃?xì)鉄崴鳌㈦姛崴髋c它并列為三大常用熱水器［1］。太陽(yáng)能熱水器是通過(guò)把光能轉(zhuǎn)化為熱能，從而將水從低溫加熱到高溫，以滿足人們?cè)谏a(chǎn)、生活中熱水的使用［2］。

自1995 年1 月的國(guó)家計(jì)委、國(guó)家科委、國(guó)家經(jīng)貿(mào)委引發(fā)的“新能源和可再生能源發(fā)展綱要（1996-2010）”中指出“把推廣應(yīng)用節(jié)能型太陽(yáng)能建筑、太陽(yáng)能熱水器和光伏發(fā)電作為重點(diǎn)來(lái)抓。太陽(yáng)能建筑和太陽(yáng)能熱水器要形成規(guī)模生產(chǎn)，完善產(chǎn)業(yè)體系，進(jìn)一步拓寬市場(chǎng)”以來(lái)，國(guó)家在接下來(lái)的15 年間頒布了一系列法規(guī)、政策以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)太陽(yáng)能熱水器行業(yè)的發(fā)展提供了巨大推動(dòng)力。值得一提的是，2009 年，國(guó)家將太陽(yáng)能熱水器納入家電下鄉(xiāng)范圍，對(duì)太陽(yáng)能熱水器的普及起到了積極作用［3］。

由此，太陽(yáng)能熱水器的發(fā)展達(dá)到高峰，各種專(zhuān)利技術(shù)層出不窮，熱水器的各種結(jié)構(gòu)部件也趨于完善，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力愈發(fā)激烈。以某太陽(yáng)能支架為例，本文將結(jié)合力學(xué)原理及有限元分析對(duì)支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，力求在不降低支架強(qiáng)度的前提下簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，以縮短安裝時(shí)間。

1 太陽(yáng)能支架結(jié)構(gòu)

圖1 原太陽(yáng)能支架結(jié)構(gòu)圖

圖1為某公司生產(chǎn)的太陽(yáng)能支架，該支架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定，但螺栓連接件過(guò)多、導(dǎo)致安裝效率低，降低了競(jìng)爭(zhēng)力。

1.1 原支架存在的問(wèn)題

1）小零件過(guò)多。原太陽(yáng)能支架共使用了3 個(gè)橫梁和6個(gè)新橫梁，總數(shù)占所有零部件的50%。

2）螺栓連接處較多。該支架共使用了40 個(gè)螺栓，大大降低了安裝效率。

3）結(jié)構(gòu)通用性差。水箱和真空管（集熱裝置）都有不同型號(hào)，支架作為承載太陽(yáng)能水箱和真空管的結(jié)構(gòu)需要做到通用性強(qiáng)。

1.2 修改后支架結(jié)構(gòu)

結(jié)合以上問(wèn)題將原支架結(jié)構(gòu)修改為如圖2 所示。

1）優(yōu)化橫梁結(jié)構(gòu)，將橫梁與小橫梁設(shè)計(jì)為一個(gè)整體，在出廠前事先將其用鉚釘連接，以簡(jiǎn)化安裝步驟，提高安裝效率。

2）將前立柱與后立柱間的連接改為承插結(jié)構(gòu)，既可以提高支架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，又可以節(jié)約安裝時(shí)間。

3）鑒于太陽(yáng)能支架安裝時(shí)的角度不定，可將支架立柱設(shè)計(jì)為弧形，與底角相配合，可形成不同角度，從而提高此支架的通用性。

圖2 新型太陽(yáng)能能支架模型圖

2 太陽(yáng)能熱水器支架的有限元分析及力學(xué)性能測(cè)試

2.1 建立支架有限元分析模型

模型在三維造型軟件UG 中建立、裝配完以后，通過(guò)UG 和Workbench 的軟件接口將模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench 中，Workbench 將自定義各零件間的接觸情況，然后對(duì)模型施加材料，采用其自帶的網(wǎng)格劃分工具對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行自動(dòng)化分。本文在分析過(guò)程中，按照支架實(shí)際工況及受力特點(diǎn)對(duì)其加載并進(jìn)行分析，以便可以真實(shí)地反映支架受力分布情況［4］。支架結(jié)構(gòu)共劃分39 906 個(gè)單元，94 637 個(gè)節(jié)點(diǎn)，最后劃分網(wǎng)格后的模型如圖3 所示。

圖3 支架有限元分析模型

2.2 約束與加載

太陽(yáng)能支架材料被認(rèn)為是各向同性材料，并且密度分布均勻，為完全彈性體，支架材料為結(jié)構(gòu)鋼。

在支架實(shí)際工作過(guò)程中各部分通過(guò)螺栓相連接，同時(shí)利用地腳螺栓將支架固定在地面上，同時(shí)限制其六個(gè)自由度［5］。在實(shí)際工況下太陽(yáng)能支架的載荷由以下幾部分組成：

1）太陽(yáng)能熱水器支架的重力，重力加速度g 取9.8m/s2。

2）水箱重力及其在滿載情況下對(duì)桶托的力，本次設(shè)計(jì)采用130 L 的儲(chǔ)水箱，真空管每支配8.5 L 水量，130 L水箱需配備的真空管個(gè)數(shù)為16 支，其中：F水箱+F水＝147×9.8＝1 440.6 N。

3）水箱及真空管表面覆蓋的積雪對(duì)支架的載荷考慮到太陽(yáng)能熱水器的主要區(qū)域，取0.5 kN/m2；太陽(yáng)能熱水器集熱管面積為1.8 m×1.3 m＝2.34m2，取μr＝1；水箱截面積為0.46 m×1.3 m＝0.598 m2，考慮水箱為圓型，取μr＝0.8；因此太陽(yáng)能熱水器集熱管上的最大雪壓力為0.5×2.34＝1.17 kN＝1 170 N，水箱上最大雪壓力為0.5×0.598×0.8＝239.2 N。

4）水箱及真空管表面所受風(fēng)壓對(duì)支架的載荷。

對(duì)水箱及真空管表面所受風(fēng)壓載荷按50 年一遇76 m海拔高度風(fēng)壓載荷計(jì)算：

正面和背面受力面積A1按太陽(yáng)能熱水器向垂直平面投影的面積測(cè)量，模型中為2.25 m2，側(cè)面受力面積A2按太陽(yáng)能熱水器向側(cè)面投影的面積測(cè)量，給定的模型側(cè)面積為0.53 m2。

F正＝Wo·A1＝558×2.25＝1 257 N，

F側(cè)＝Wo·A2＝558×0.53＝295.74 N［6］。

支架結(jié)構(gòu)約束及加載情況如圖4 所示。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

圖4 支架約束及加載情況示意圖

圖5 支架復(fù)合位移云圖

圖6 支架復(fù)合應(yīng)力分析

圖5 和圖6 給出了太陽(yáng)能熱水器支架在極端工況下有限元計(jì)算結(jié)果的復(fù)合應(yīng)力及復(fù)合位移云圖。通過(guò)ANSYS 分析發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)能支架實(shí)際工況中桶托處變形量較大，其余部分位移變形量都比較小。后立柱在產(chǎn)生自上而下的受力后，其位移變形存在扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，極易失穩(wěn)，這將會(huì)對(duì)支架的安全使用構(gòu)成威脅，支架其余部件的變形量符合實(shí)際情況，結(jié)果較為合理。

經(jīng)有限元分析可以看出，太陽(yáng)能熱水器支架整體應(yīng)力較小，最大應(yīng)力主要分布在放置水箱的桶托處和斜拉柱與前立柱的連接處，最大應(yīng)力為132.85 MPa，從圖中可以看出，除支架局部位置存在應(yīng)力集中，應(yīng)力值較大外，大部分位置應(yīng)力值較小，在0～15 MPa 之間，具有較大的優(yōu)化空間［7］。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化及其有限元分析

根據(jù)現(xiàn)有支架設(shè)計(jì)上可能存在的安全隱患，設(shè)計(jì)人員提出了一種改進(jìn)方案如圖7 所示，分別在前后兩立柱的連接處增加一圓形卡扣，目的是增強(qiáng)桶托結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，同時(shí)增加美觀性。建模和有限元分析的過(guò)程與原有結(jié)構(gòu)相同。

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后有限元分析結(jié)果

圖7 支架立柱連接處的改進(jìn)

圖8 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后支架位移分析

圖9 支架應(yīng)力分析

如圖8 和圖9 所以，ANSYS 給出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的太陽(yáng)能熱水器支架在實(shí)際工況下的分析結(jié)果，由復(fù)合應(yīng)力及位移云圖可以看出，與優(yōu)化前相比，太陽(yáng)能熱水器支架整體應(yīng)力在結(jié)構(gòu)優(yōu)化后有較大范圍減小，應(yīng)力較大位置為在斜拉柱與前立柱的連接處，該處的應(yīng)力較大的原因?yàn)橛蓱?yīng)力集中，因此，不會(huì)對(duì)整體安全產(chǎn)生影響。在放置水箱的桶托處的應(yīng)力集中現(xiàn)象得到明顯改善，從而保證了結(jié)構(gòu)的安全性。

3.2 新支架的優(yōu)化分析

3.1 節(jié)中已經(jīng)詳細(xì)介紹了支架在受風(fēng)壓雪壓的作用下的最大應(yīng)力和變形，而雪壓和風(fēng)壓是根據(jù)青島50 年一遇最大雪壓和風(fēng)壓而確定的，只不過(guò)是取了一個(gè)定值，然而常年風(fēng)壓和雪壓都是變化的，不同的風(fēng)壓和雪壓會(huì)對(duì)支架產(chǎn)生不同的影響，由于青島地區(qū)一年四季多風(fēng)，受雪壓影響較小，所以本節(jié)主要觀察，當(dāng)風(fēng)壓發(fā)生變化時(shí)，則支架的最大等效應(yīng)力是如何變化的，對(duì)支架進(jìn)行Design Explorer 分析。

由于支架受正風(fēng)、背風(fēng)或側(cè)風(fēng)的時(shí)候，會(huì)發(fā)生不同的變形，如果一一對(duì)支架進(jìn)行優(yōu)化，則過(guò)于繁瑣，所以出于方便，本節(jié)僅對(duì)當(dāng)支架滿載受正風(fēng)的時(shí)候，對(duì)支架進(jìn)行優(yōu)化。

我們把作用在支架上的正風(fēng)載荷設(shè)為輸入的參數(shù)變量，把最大應(yīng)力設(shè)為輸出變量如圖10 所示。

最后在Workbench 中經(jīng)更新計(jì)算后，10 個(gè)不同設(shè)計(jì)點(diǎn)的值如圖11 所示。

圖10 參數(shù)變量

圖11 Design of Experiments 的值

圖12 設(shè)計(jì)點(diǎn)與相應(yīng)參數(shù)值

查看設(shè)計(jì)點(diǎn)與相應(yīng)的參數(shù)值（將X 軸設(shè)定為設(shè)計(jì)點(diǎn)，Y 軸設(shè)為最大Equivalent Stress）如圖12 所示。

以上所做的是通過(guò)應(yīng)用Design Explorer 的特征中的響應(yīng)曲面（Response Surface）它能直觀地觀察到輸入?yún)?shù)的影響，通過(guò)圖表形式能動(dòng)態(tài)地顯示輸入與輸出參數(shù)間的關(guān)系。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在對(duì)太陽(yáng)能熱水器防風(fēng)抗雪性能研究的基礎(chǔ)上，利用UG 對(duì)支架建立三維模型，并用Workbench 對(duì)支架進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能熱水器支架的數(shù)學(xué)模型施加風(fēng)壓載荷和雪壓載荷，利用現(xiàn)代化的分析方法和手段分析出整個(gè)室外太陽(yáng)能熱水器在實(shí)際工況下的應(yīng)力分布和變形圖，找出最大應(yīng)力和最大變形的位置，并以此為理論依據(jù)對(duì)支架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。最后為了研究不同的風(fēng)壓對(duì)支架最大應(yīng)力的影響，運(yùn)用了Workbench 中的Design Explorer 功能，幫助了設(shè)計(jì)人員確定了風(fēng)壓和雪壓對(duì)支架最大應(yīng)力的影響，對(duì)支架進(jìn)行了優(yōu)化，更好地提高了產(chǎn)品的可靠性。

由此可見(jiàn)，利用UG 與ANSYS 嵌套進(jìn)行太陽(yáng)能支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，既可以減輕工程設(shè)計(jì)的工作量，還可以提高計(jì)算效率，為今后利用ANSYS 分析軟件進(jìn)行工程設(shè)計(jì)提供了一定的參考參考價(jià)值，為企業(yè)新產(chǎn)品研發(fā)提供了新思路。

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