王偉，楊建林，魏志強，楊思賢

摘 要：敘述了玄武巖纖維和玻璃纖維增強復(fù)合材料的組成和制備工藝，分析了其力學(xué)性能，將纖維增強復(fù)合材料應(yīng)用于光伏支架（下文簡稱為“復(fù)合材料光伏支架”）上，依據(jù)相關(guān)規(guī)范，運用MIDAS軟件進行復(fù)合材料光伏支架的結(jié)構(gòu)建模分析，通過與鋼結(jié)構(gòu)光伏支架的對比，總結(jié)了二者的主要區(qū)別，提出了復(fù)合材料光伏支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵點。研究結(jié)果表明：玄武巖纖維和玻璃纖維增強復(fù)合材料可以滿足光伏支架的各項基本要求，具有較高的強度及較好的穩(wěn)定性；用于光伏支架可時需按照服役環(huán)境要求，進行防腐、耐候、熱工、絕緣、耐火、耐磨設(shè)計；使用時應(yīng)重新進行該復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計計算；材料強度雖有安全余量，但需對連接節(jié)點處的螺栓進行重新設(shè)計。

關(guān)鍵詞：光伏支架；玄武巖纖維；玻璃纖維；纖維增強復(fù)合材料；建模分析；各向異性

中圖分類號：TU599/TM615 文獻標志碼：A

0? 引言

與傳統(tǒng)金屬材料相比，復(fù)合材料的最大優(yōu)勢是具有可設(shè)計性，可根據(jù)服役環(huán)境和結(jié)構(gòu)特點進行優(yōu)化設(shè)計[1]。隨著光伏行業(yè)的發(fā)展，光伏支架結(jié)構(gòu)輕量化、應(yīng)用環(huán)境極端化成為發(fā)展趨勢，復(fù)合材料中的高性能纖維增強復(fù)合材料是光伏支架結(jié)構(gòu)輕量化的首選材料，也是極端環(huán)境中使用的不可或缺材料。本文對玄武巖纖維（BF）和玻璃纖維（GF）增強復(fù)合材料（下文簡稱為“玄纖和玻纖增強復(fù)合材料”），是在滿足光伏支架使用要求、提高經(jīng)濟效益的基礎(chǔ)上設(shè)計的，根據(jù)材料性能檢測結(jié)果，運用MIDAS結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件進行纖維增強復(fù)合材料光伏支架的結(jié)構(gòu)建模分析；然后針對纖維增強復(fù)合材料設(shè)計應(yīng)用特點，總結(jié)了纖維增強復(fù)合材料光伏支架與鋼結(jié)構(gòu)光伏支架的主要區(qū)別，并提出纖維增強復(fù)合材料光伏支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵點。

1? 玄纖和玻纖增強復(fù)合材料的組成和制備工藝

1.1? 玄纖和玻纖增強復(fù)合材料的組成及性能

玄纖和玻纖增強復(fù)合材料是由連續(xù)的玄武巖纖維和無堿玻璃纖維增強材料、樹脂、氈布、添加劑等拉擠而成，這種拉擠型纖維增強復(fù)合材料具有密度低、強度高、耐高溫、耐腐蝕、可設(shè)計性強、易于成型等特點，在輕質(zhì)化要求、耐腐蝕和抗氧化要求的服役環(huán)境中可發(fā)揮較好的經(jīng)濟效益。纖維增強復(fù)合材料雖具有一系列優(yōu)異性，但其具有各向異性，即具有橫向強度較小、材料彈性模量較小的缺點。目前國內(nèi)外纖維增強復(fù)合材料所用增強材料主要為無堿玻璃纖維、碳纖維和玄武巖纖維及其制品，相比玻璃纖維，玄武巖纖維性能更好，具有更高的斷裂強度和楊氏模量，能提高具有各向異性特點材料的性能，但是玄武巖纖維增強材料生產(chǎn)成本高，而玻璃纖維增強材料生產(chǎn)成本較低。因此，在滿足光伏支架使用性能的前提下，為達到降低生產(chǎn)成本、提高經(jīng)濟效益的目的，本研究的玄纖和玻纖增強復(fù)合材料按照比例使用玄武巖纖維和玻璃纖維增強材料。

1.2? 玄纖和玻纖增強復(fù)合材料的制備工藝

玄纖和玻纖增強復(fù)合材料采用拉擠成型工藝，通過牽引設(shè)備的牽引，將連續(xù)的纖維增強材料進行樹脂浸潤，并通過成型模具加熱使樹脂固化。生產(chǎn)過程可以簡要分為浸潤、成型和固化冷卻3個步驟，工藝流程如圖1所示。

2? 玄纖和玻纖增強復(fù)合材料的性能檢測及其光伏支架結(jié)構(gòu)建模分析

2.1? 玄纖和玻纖增強復(fù)合材料性能檢測及檢測結(jié)果分析

根據(jù)GB/T 31539—2015《結(jié)構(gòu)用纖維增強復(fù)合材料拉擠型材》[2]，纖維增強復(fù)合材料的檢測類別包括材料的物理性能、力學(xué)性能、全截面壓縮性能、耐久性能和功能性，本文研究的玄纖和玻纖增強復(fù)合材料的性能檢測結(jié)果如表1所示。

根據(jù)T/CPIA 0013—2019《光伏支架》[3]，光伏支架用復(fù)合材料應(yīng)符合GB/T 31539—2015[2]標準要求，且滿足M23級或M30級要求。從表1可以看出：本文研究的玄纖和玻纖增強復(fù)合材料的性能檢測結(jié)果滿足標準要求，可以用于光伏支架的結(jié)構(gòu)要求。

根據(jù)NB/T 10115—2018《光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》[4]，光伏電站的光伏支架設(shè)計使用年限

應(yīng)達到25年。由于目前纖維增強復(fù)合材料沒有老化試驗標準要求，本研究模擬光伏支架30年耐久性使用環(huán)境，對玄纖和玻纖增強復(fù)合材料進行氙燈老化試驗。試驗采用輻射度為1000 W/m2的氙燈照射1905 h，試驗檢測結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出：經(jīng)過1905 h老化試驗后，該復(fù)合材料外觀無變化，縱向拉伸強度和縱向壓縮強度保留率超過80%，滿足30年耐久性使用要求，即符合25年設(shè)計使用年限。

2.2? 玄纖和玻纖增強復(fù)合材料光伏支架結(jié)構(gòu)建模分析

本文依據(jù)T/CECS 692—2020《復(fù)合材料拉擠型材結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[5]的要求，結(jié)合MIDAS結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件進行采用玄纖和玻纖增強復(fù)合材料制作的光伏支架（下文簡稱為“復(fù)合材料光伏支架”）的結(jié)構(gòu)計算，材料和截面均為用戶定義，材料類型為各向異性，材料設(shè)計數(shù)據(jù)根據(jù)表1的材料性能檢測結(jié)果置設(shè)。復(fù)合材料光伏支架結(jié)構(gòu)計算參數(shù)如表3所示，結(jié)構(gòu)模型圖如圖2所示。

根據(jù)GB/T 31539—2015[2]，本文對復(fù)合材料光伏支架斜梁、橫梁、斜撐和立柱構(gòu)件進行了承載力驗算，驗算結(jié)果如圖3所示。圖中多個最大/小值為同一構(gòu)件的不同截面所對應(yīng)的值。

對復(fù)合材料光伏支架結(jié)構(gòu)進行了變形驗算和立柱連接點剪力驗算，驗算結(jié)果如圖4、圖5所示。

根據(jù)以上驗算，復(fù)合材料光伏支架在斜梁處的變形位移較大，適當調(diào)整立柱和斜撐位置后，斜梁構(gòu)件相對最大位移滿足要求。立柱開孔處有應(yīng)力集中，構(gòu)件最大剪力或最大軸力均小于材料的承載力設(shè)計值。

綜上所述，復(fù)合材料光伏支架通過合計設(shè)計，在光伏組件自重、風(fēng)荷載、雪荷載共同作用下的強度和穩(wěn)定性均滿足相關(guān)規(guī)范和正常使用的要求；并且強度和穩(wěn)定應(yīng)力存在較大安全余量，可以在一定程度上抵抗極端惡劣工況給復(fù)合材料光伏支架和光伏組件帶來的破壞。

3? 復(fù)合材料光伏支架與鋼材光伏支架設(shè)計的區(qū)別及應(yīng)用關(guān)鍵點

3.1? 復(fù)合材料光伏支架與鋼材光伏支架設(shè)計的主要區(qū)別

3.1.1? 復(fù)合材料具有可設(shè)計性

與鋼材相比，纖維增強復(fù)合材料的優(yōu)勢是具有可設(shè)計性，可根據(jù)使用要求，進行承載力極限狀態(tài)、正常使用極限狀態(tài)、疲勞計算等設(shè)計。材料在特殊服役環(huán)境下，應(yīng)進行功能要求設(shè)計：有耐久性能要求時，材料應(yīng)進行耐久性設(shè)計，并進行相應(yīng)耐久性試驗；有熱工要求時，材料熱工設(shè)計應(yīng)符合設(shè)計文件規(guī)定的熱工指標要求；有阻燃性能要求時，應(yīng)對材料采用阻燃樹脂或添加阻燃劑、材料表面涂覆防火涂料或設(shè)置阻燃隔熱板；有特殊耐火要求時，構(gòu)件或結(jié)構(gòu)應(yīng)進行耐火極限試驗；有耐磨要求時，材料應(yīng)進行耐磨設(shè)計，例如采用在樹脂中添加耐磨填料、表面覆膜或噴砂等措施。

3.1.2? 光伏支架立柱與斜梁的尺寸及位置

本案例研究的是雙立柱光伏支架，立柱連接在斜梁下面，拉擠型復(fù)合材料的強度較高，彈性模量相對較小，斜梁固件的變形為設(shè)計控制的主要要素。相比于鋼材斜梁，纖維增強復(fù)合材料斜梁在彎曲荷載下，除了可能發(fā)生由材料強度破壞引起的梁結(jié)構(gòu)失效外，還可能發(fā)生梁構(gòu)件的整體失穩(wěn)或局部失效。根據(jù)本案例計算結(jié)果，鋼材斜梁懸挑至約600 mm可滿足計算要求，而纖維增強復(fù)合材料斜梁懸挑需要減少到約200 mm才可滿足計算要求。

3.1.3? 光伏支架的連接節(jié)點

與鋼材光伏支架不同的是，纖維增強復(fù)合材料光伏支架連接節(jié)點一般采用螺栓連接，螺栓開孔處均有應(yīng)力集中，纖維增強復(fù)合材料的橫向彈性模量和剪切彈性模量相對較低，螺栓擠壓后，易發(fā)生剪脫破壞。在連接節(jié)點處加大墊片，同時調(diào)整螺栓孔大小，可提高螺栓抗擠壓強度。

3.2? 纖維增強復(fù)合材料光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用關(guān)鍵點

3.2.1? 材料耐久性

由于外露纖維增強復(fù)合材料在長期使用后，會產(chǎn)生部分粉化現(xiàn)象，因此為了保證復(fù)合材料在外露結(jié)構(gòu)中的耐久性，對材料最小壁厚的要求為：任一壁厚不應(yīng)小于3.0 mm，不滿足壁厚要求的部分不計入受力面積。

纖維增強復(fù)合材料需要進行材料耐久性檢驗，目前耐久性檢驗項目一般包括耐水性能、耐堿性能、紫外線耐久性能和凍融循環(huán)耐久性能；試驗后強度保留率均不應(yīng)小于85%。

3.2.2? 材料脆性破壞

纖維增強復(fù)合材料的拉伸破壞屬于脆性破壞，不同于鋼材拉伸變形時會出現(xiàn)屈服平臺，脆性破壞是突然地。拉擠型材受拉構(gòu)件的承載力取決于其組成材料的力學(xué)性能、纖維排布方式、構(gòu)件腹板與翼緣交界處的纖維連續(xù)性，以及螺栓孔導(dǎo)致的截面面積。

設(shè)計纖維增強纖維增強復(fù)合材料截面時，將轉(zhuǎn)角處設(shè)置倒角，可防止局部應(yīng)力集中；在倒角處設(shè)計布紗，可防止出現(xiàn)富樹脂區(qū)等缺陷。

3.2.3? 材料承載力與變形

纖維增強復(fù)合材料抗拉強度和材料密度比較大，光伏支架軸心受壓構(gòu)件容易產(chǎn)生局部失穩(wěn)。鋼材光伏支架受壓構(gòu)件局部失穩(wěn)主要受截面板單元的寬厚比影響，復(fù)合材料光伏支架各構(gòu)件需進行承載力和變形驗算，對于主要承擔(dān)扭矩的構(gòu)件，可采用方管、圓管等閉口截面，控制受扭承載力。

3.2.4? 連接節(jié)點設(shè)計

纖維增強復(fù)合材料為各向異性類型的材料，縱向強度比較大，橫向強度比較小，因此復(fù)合材料光伏支架結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)進行強度、穩(wěn)定性和變形計算。

纖維增強復(fù)合材料的連接形式有螺栓連接、粘接連接和膠栓混合連接，主要受力構(gòu)件之間一般采用螺栓連接，可靠性較高；粘接連接一般用于較小構(gòu)件的連接，強度相對較低；膠栓混合連接較為理想的連接方式，強度、剛度可靠性均較高及推薦用于重要構(gòu)件的連接。

通過材料抗拉試驗表明，在一定范圍內(nèi)加大墊片及連接件的夾緊力，可以提高連接節(jié)點的抗拉強度，因此，在連接節(jié)點設(shè)計上可加大連接件與纖維增強復(fù)合材料的接觸面積。

4? 結(jié)論

本文運用MIDAS軟件進行纖維增強復(fù)合材料光伏支架的結(jié)構(gòu)建模分析，通過與鋼結(jié)構(gòu)光伏支架的對比試驗和結(jié)構(gòu)計算，得到以下結(jié)論：

1）玄纖和玻纖增強復(fù)合材料通過合計設(shè)計，可以滿足光伏支架的各項基本要求，具有較高的強度及較好的穩(wěn)定性。

2）光伏支架用的纖維增強復(fù)合材料，應(yīng)通過試驗測試確定材料性能，通過合理的分析確定構(gòu)件的承載力設(shè)計值，同時材料需要按照服役環(huán)境要求，進行防腐、耐候、熱工、絕緣、耐火、耐磨設(shè)計。

3）復(fù)合材料光伏支架不能直接借用鋼材光伏支架的成型設(shè)計，需重新進行復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計計算，進行構(gòu)件承載力與變形驗算、整體穩(wěn)定性驗算，以及受彎受剪局部驗算。

4）在復(fù)合材料光伏支架結(jié)構(gòu)計算中，玄纖和玻纖增強復(fù)合材料強度上有較大的安全余量，但連接節(jié)點采用螺栓連接時，開孔處有應(yīng)力集中，易發(fā)生剪脫破壞，可通過增大連接節(jié)點處墊片，加大接觸面，避免應(yīng)力集中，同時調(diào)整螺栓孔大小、端距比、寬度比等措施，提高螺栓抗擠壓強度。

[參考文獻]

[1] 李仲平，馮志海，徐樑華，等.我國高性能纖維及其復(fù)合材料發(fā)展戰(zhàn)略研究[J].中國工程科學(xué)，2020，22（5）：28-36.

[2] 中國國家標準化委員會.結(jié)構(gòu)用纖維增強復(fù)合材料拉擠型材：GB/T 31539—2015[S].北京：中國標準出版社，2015.

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[4] 國家能源局.光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程：NB/T 10115—2018[S].北京：中國計劃出版社，2018.

[5] 中國工程建設(shè)標準化協(xié)會.復(fù)合材料拉擠型材結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：T/CECS 692—2020[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2020.

RESEARCH ON DESIGN AND APPLICATION OF?FRP FOR PV BRACKET

Wang Wei，Yang Jianlin，Wei Zhiqiang，Yang Sixian

（Lanzhou Electric Power Equipment Manufacturing Co.，Ltd.，Lanzhou 730050，China）

Abstract：In this paper，the composition and preparation process of a kind of basalt fiber （BF） and glass fiber （GF） reinforced composite material are described，and its mechanical properties are analyzed. The FRP is applied to the PV bracket （hereinafter referred to as "composite PV bracket"）. According to the relevant specifications，MIDAS software is used to conduct the structural modeling analysis of the composite PV bracket. By comparing with steel structured PV brackets，the main differences between the two are summarized and the key points of structure design of composite PV bracket are put forward. The research results show that BF and GF reinforced composite materials can meet the basic re-quirements of PV brackets，with high strength and good stability. When used for PV brackets，anti-corrosion，weather resistance，thermal engineering，insulation，fire resistance，and wear resistance design should be carried out according to the requirements of the service environment. When in use，the composite material structure design calculations should be redone. Although there is a safety margin for material strength， it is necessary to redesign the bolts at the connection nodes.

Keywords：PV bracket；BF；GF；FRP；modeling analysis；anisotropy