某太阳能路灯的失效原因分析

马小康

（长安大学工程机械学院，陕西 西安 710064）

0 引言

随着新能源的不断开发和利用， 太阳能电池作为一种新型能源倍受瞩目，一方面无污染，而另一方面它取之不尽，用之不竭[1]。 太阳能路灯是基于太阳能电池的一种照明工具，并利用太阳能电池的光伏特效应工作[2]。 太阳能路灯作为一种新型照明工具[3]，其发展时间较短，尤其是对于太阳能路灯在力学方面的有限元分析更是稀缺，笔者利用ABAQUS[4]有限元分析软件，进行受力分析，找出路灯失效的部分原因，进而保证其结构更加安全可靠，减少对其日常检修的次数。

1 路灯灯杆的有限元分析

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 软件建立路灯模型之后，将其导入ABAQUS 有限元软件进行分析。具体模型如图1 所示，进一步简化部分零件结构，如图2所示。

图1 太阳能路灯整体模型图

图2 螺栓的简化

1.2 灯杆杆长变化的有限元分析

1.2.1 Mises 应力结果分析

现针对三种不同长度的灯杆所对应的太阳能路灯结构进行分析，来探究灯杆长度的变化对于太阳能路灯结构的强度和刚度产生的影响。 如图3 所示。

图3 太阳能组件整体受力云图（MPa）

从上图3 易知光伏板、 支架等位置所受受力比较小，由力变知识知，可以知道受力大的区域是在太阳能路灯光伏板与支架，支架与底座的连接位置，太阳能路灯光伏板与支架连接位置处6m 灯杆对应的应力为24MPa，8m 灯杆对应的应力为42MPa，10m 灯杆对应的应力为65MPa，最大应力基本上呈等差数列增长。 因此，可换算出其它长度下结构的最大应力值。

1.2.2 形变结果分析

图4 太阳能路灯灯杆变形云图（MPa）

由上图4 可知，灯杆结构类似于悬臂梁，自由端产生的变形最大， 根据理论力学知识可知为了增大结构的刚度，建议在长度增大的情况下，同时增大灯杆的壁厚[5]。 避免出现灯杆的屈曲现象。

1.3 灯杆壁厚变化的有限元分析

1.3.1 Mises 应力结果分析

图5 太阳能组件整体受力云图（MPa）

从上图5 易知光伏板、 支架等位置所受受力比较小，根据上图片所示与所学的力变知识， 可以知道受力大的区域是在太阳能路灯光伏板与支架， 支架与底座的连接位置，应力集中较大的部分在底座和螺栓的连接处，以及立杆的内外两侧部位。 其中2.5mm 太阳能路灯灯杆结构的最大应力为46MPa，3.0mm 灯杆结构的最大应力为36MPa，3.5mm 灯杆结构的最大应力为33MPa。 灯杆的厚度直接影响其承载面积的大小， 太阳能路灯灯杆壁厚越小，承载面积越小，所以其所受到的应力就会越大。

1.3.2 形变结果分析

图6 太阳能路灯灯杆变形云图（MPa）

如图6 所示，灯杆结构类似于悬臂梁，自由端产生的变形最大。同理，3.5mm 灯杆的刚度最大，2.5mm 灯杆的刚度最小，增大灯杆的厚度能显降低整体结构的变形。 灯杆的厚度越大，架构的变形越小。

1.3.3 origin 数据处理

通过origin 数据分析可知到三种杆长、壁厚底座周围应力的变化，如图7、图8 所示。

从图7 可知，10m 长度灯杆应力集中情况显著大于8m 和6m，随着离端部距离的增大，灯杆的应力逐渐降低。因此，灯杆的设计可以采用底部粗、上部细的结构，在保证结构安全的情况下，最大限度的降低结构的成本。

图8 不同壁厚对应力集中的影响

从图8 可知，3.0mm 厚度的灯杆最具有经济性和安全性。 灯杆的壁厚越大， 结构的强度刚度和稳定性越好，但是在满足强度要求的情况下，壁厚越小，太阳能路灯的成本越小。

2 结论

本论文主要对太阳能路灯在不同结构参数的情况下的受力情况进行讨论，最终发现：

1）从Mises 应力图中可以看到，太阳能板等组件在整体上受力不大。 根据分析结果和基本的力学知识可以得出较大的应力集中位于支架和底座链接的螺栓处，杆长和壁厚是影响太阳能路灯寿命的两个重要因素， 杆长越短，壁厚越厚，则整个太阳能路灯的受力愈加合理，安全可靠性得到提高。

2）随着灯杆壁厚的增大，它自身结构的强度刚度和稳定性越好，壁厚越小，其应力集中现象愈发明显，灯杆部分的应力集中较大部分在底座和螺栓的链接处以及立杆的内外两侧部位。

3）随着灯杆长度的增大，它自身结构的刚度呈倍数降低，结构稳定性越差，灯杆部分的应力集中较大部分在底座和螺栓的链接处以及立杆的内外两侧部位。