太阳能电池板强度分析报告
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太阳能电池板强度分析
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摘要
太阳能电池板为工业生产过程中不可或缺的关键设备，现已广泛应用于核工业、石油化工、冶金、医药食品等领域，随着科技的发展与生产的需求，太阳能电池板的结构尺寸和结构形式越来越复杂，不同角度的风载工况条件，使得太阳能电池板的设计要求也越来越高。本文运用有限元分析法对太阳能电池板的结构应力进行分析，可指导太阳能电池板的结构优化。
本文对3组不同设计方案的太阳能电池板进行了静强度分析。通过分析，研究了不同角度太阳能电池板强度的影响，研究了封头厚度对太阳能电池板强度的影响。
通过分析得知：
ü 不同设计方案的太阳能电池板强度均满足设计要求；
ü 0度工况，太阳能电池板最大变形为0.8428mm，说明该太阳能电池板刚度满足设计要求。最大应力为50.36MPa，出现在太阳能电池板的中间3个连接梁位置，小于材料的须用应力250MPa，满足强度要求。最大变形为3.5735mm，说明该太阳能电池板刚度满足设计要求。
ü 25度工况，太阳能电池板最大应力为77.314MPa，出现在太阳能电池板的中间3个连接梁位置，小于材料的须用应力250MPa，满足强度要求。
ü 45度工况，最大变形为3.2473mm，说明该太阳能电池板刚度满足设计要求。最大应力为87.684MPa，出现在太阳能电池板的中间3个连接梁位置，小于材料的须用应力250MPa，满足强度要求。
关键词： 太阳能电池板 风载 重力 结构应力 仿真分析 ANSYS Mechanical 多方案
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目录
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1.有限元仿真分析理论依据及总体方案
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1.1仿真分析理论依据
有限元方法（FEM）是求解各种复杂数学物理问题的重要方法，是处理各种复杂工程问题的重要分析手段，也是进行科学研究的重要工具。该方法的应用和实施包括三个方面：计算原理、计算机软件、计算机硬件[7]。计算机技术的飞速发展使得有限元方法得到长足的发展。有限元方法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互连接在一起的单元的组合体。由于单元能按不同的连接方式进行组合，且单元本身又可以有不同的形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解域[8]。有限元方法的一个重要的特点是利用在每个单元内假设的近似函数来分片地表示全求解域上待求的未知场函数。单元内的近似函数通常由未知场函数或及其导数在单元的各个结点的数值和其插值函数来表示。一个问题的有限元分析中，未知场函数或及其导数在各个结点上的数值就成为新的未知量（也即自由度），从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。一经求解出这些未知量，就可以通过插值函数计算出各个单元内场函数的近似值，从而得到整个求解域上的近似解。如果单元满足收敛要求的，近似解最后就收敛于精确界。有限元分析分为线性分析（linear analysis）和非线性分析（nonlinear analysis）,线性分析即外载荷与系统的相应之间为线性关系。事实上，这种线性关系仅是一种理论上的近似，在真实的物理结构中，结构的刚度会随着变形而发生改变，即所谓的非线性，非线性是有限元理论和力学研究的前沿。在现实生活接触的绝大多数问题都是非线性问题，非线性问题的求解要比线性问题复杂和困难的多。非线性问题可以分为以下三种类型：材料非线性、几何非线性和边界非线性[9]。材料非线性即材料的应力和应变关系为非线性是由材料的一些固有特性产生的，大多数金属在低应变值时都具有良好的线性应力应变关系，但是在高应变时材料发生屈服，此时材料的响应变成非线性和不可恢复的。而有些材料如橡胶可以用一种非线性、可恢复响应的材料来近似。应变率相关材料数据和材料失效都是材料非线性形式；几何非线性是指位移的大小对结构的响应发生影响，包括大位移、大转动、初始应力、几何刚性化和突然翻转等问题。边界非线性是指边界条件在分析过程中发生变化。接触问题就是一种典型的边界条件为线性问题，其特点就是：边界条件不是在计算的开始就可以全部给出，而是在计算过程中确定的，接触体之间的接触面积和压力分布随外载荷变化，同时还可能需要考虑接触面间的摩擦行为和接触传热。ABAQUS/Standard使用Newton－Raphson算法来求解非线性问题，它把分析过程划分一系列的载荷增量步，在每个增量步内进行多次迭代（iteration）,得到可接受的解后，再求解下一个增量步，所有增量响应的总和就是非线性分析得近似解。
固体结构有限元分析的力学基础是弹性力学，而方程求解的原理是采用加权残值或泛函数极值原理，实现的方法是数值离散技术，最后的技术载体是有限元分析软件。在处理实际问题时需要基于计算机硬件平台来处理。因此，有限元分析的主要内容包括：基本变量和力学方程、数学求解原理、离散结构和连续体的有限元分析实现、各种应用领域、分析中的建模技巧、分析实现的软件平台等。
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1.2![太阳能电池板强度分析报告的图7]()
失效评定准则
通过静力分析仿真，得到太阳能电池板的变形应力之后，可以与已知的许用变形以及材料许用应力进行比较。如果超过了材料的屈服应力，则会发生塑性变形，因为强度不满足要求。如果超过了许用变形要求，认为刚度不满足要求。
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1.3仿真分析的总体方案
根据要求，仿真分析的内容包括太阳能电池板各工况的静态分析，0度、25度以及45度，共3种工况，首先确定总体技术方案，总体技术方案及主要CAE步骤包括如下内容：
1）几何模型清理与预处理；
2）材料参数获取、输入及调整；
3）网格划分：太阳能电池板三维模型、材料参数，建立太阳能电池板的强度计算网格模型，包括网格单元尺寸的选择、单元类型的选择等；
4）)网格模型检查：根据单元质量标准对完成的太阳能电池板静强度计算网格模型进行网格质量检查，并根据网格质量检查结果对网格模型进行优化，提高网格模型质量，使之满足热及强度计算的要求；
5）)连接关系建立及检查；
6）边界条件的确定、验证及施加方法：对边界条件进行确定与验证，保证能够真实反映太阳能电池板的工作状态；
7））施加边界条件与提交计算：将经过验证的边界条件施加到温度及强度仿真分析模型上，完成温度及强度求解器的参数设置并提交计算；
8）初步测试求解及精细求解；
9）结果后处理：对计算完成得到的结果进行处理工作，输出计算结果图片、表格、曲线等；
1.4本文主要研究内容
本文对3组不同设计方案的太阳能电池板进行了静强度分析。通过分析，研究了不同角度太阳能电池板强度的影响，研究了封头厚度对太阳能电池板强度的影响。
2.有限元前处理
2.1 仿真分析的意义和方法
由于太阳能电池板工作环境复杂，传统的设计、开发方法已经不能完全满足新产品研发的需要。而基于有限元理论的结构仿真分析技术早已在这些产品的设计领域展开了广泛的应用并显示出良好的效果。因此，亟需采用先进结构有限元仿真分析软件对其进行强度、多方案优化等方面的分析。
通过计算机仿真分析，可以准确的计算出太阳能电池板结构在各种载荷下的应力场、应变场等分布，以此进行优化设计、方案评价，达到研制出高技术、高性能、高可靠性的太阳能电池板的目的。
CAE仿真的应用可以极大的提高产品研发的效率和速度，取代部分实物试验工作，缩短研发周期，降低研发成本。
随着各种新技术的应用与发展，例如各种计算技术的发展、计算机硬件技术的快速发展（包括芯片、存储设备、新材料），也推动着CAE技术的高速发展。对于各种复杂问题，前几年可能需要人工处理、作大量的简化、近似，有的甚至无能为力，现在CAE技术已经突破了各种限制。例如作为世界上最大的、最具影响的、CAE技术的领导者ANSYS，通过这几年的高速发展，在模型处理技术、装配体分析技术、非线性分析技术、材料模型、单元技术、复合材料、断裂力学、动力学、高性能并行计算技术、多学科协同仿真技术、多学科优化等各个方面都有实质性的突破，这些新的技术将促进和推动CAE技术在各个行业的广泛和深入的应用，帮助企业优化科研流程，快速、高效、低成本的推出高质量的产品和进行研发工作。
2.2 3种仿真分析工况概述
某太阳能电池板需要进行强度分析，以验证其结构薄弱位置，是否满足要求。工况包括0度位置工况和25度位置工况以及45度位置工况。
根据设计要求，需要对太阳能电池板进行3种静力分析工况的分析。Workbench下仿真分析流程图如下图所示：
2.2 材料模型
太阳能电池板分别使用了钢材、铝合金及玻璃材料，需要的材料参数包括密度、杨氏模量、泊松比。太阳能电池板的各个材料参数如下图所示：
2.3几何模型
在Solidworks中建立了几何模型，导入DM中进行模型的检查、修复和处理。处理后的太阳能电池板0度、25度、45度的模型分别如下图所示：
2.4有限元网格
便于六面体划分的体采用六面体网格划分，其他体的网格全部采用四面体网格，经过验证中节点四面体网格与六面体网格精度非常接近。
单元统一采用40mm单元边长，划分后的0度、25度、45度的网格分别如图所示，网格数均为36345个，节点数26771个。
2.5连接关系
太阳能电池板几个体之间进行绑定接触处理。
3、静强度分析
3.1 工况1（0度）边界及结果分析
根据设计规范，底部固定约束，面板侧面施加562.5pa的风载荷，并施加重力，如下图所示。
通过有限元计算得到的变形及应力如下图所示：
（1）最大变形为0.8428mm，说明该太阳能电池板刚度满足设计要求。
（2）最大应力为50.36MPa，出现在太阳能电池板的中间3个连接梁位置，小于材料的须用应力250MPa，满足强度要求。
3.2 工况2（25度）边界及结果分析
根据设计规范，底部固定约束，面板正面施加平行于地面的562.5pa的风载荷，并施加重力，如下图所示。
通过有限元计算得到的变形及应力如下图所示：
（3）最大变形为3.5735mm，说明该太阳能电池板刚度满足设计要求。
（4）最大应力为77.314MPa，出现在太阳能电池板的中间3个连接梁位置，小于材料的须用应力250MPa，满足强度要求。
3.3工况3（45度）边界及结果分析
根据设计规范，底部固定约束，面板正面施加平行于地面的562.5pa的风载荷，并施加重力，如下图所示。
通过有限元计算得到的变形及应力如下图所示：
（5）最大变形为3.2473mm，说明该太阳能电池板刚度满足设计要求。
（6）最大应力为87.684MPa，出现在太阳能电池板的中间3个连接梁位置，小于材料的须用应力250MPa，满足强度要求。
4、小结
本章介绍了太阳能电池板的仿真分析，包括3个工况（0度、25度、45度位置）的静力分析。
经过计算，变形均小于5mm，满足刚度标准要求，各工况应力均小于材料须用应力，强度满足要求。
太阳能电池板为工业生产过程中不可或缺的关键设备，现已广泛应用于核工业、石油化工、冶金、医药食品等领域，随着科技的发展与生产的需求，太阳能电池板的结构尺寸和结构形式越来越复杂，不同角度的风载工况条件，使得太阳能电池板的设计要求也越来越高。本文运用有限元分析法对太阳能电池板的结构应力进行分析，可指导太阳能电池板的结构优化。
本文对3组不同设计方案的太阳能电池板进行了静强度分析。通过分析，研究了不同角度太阳能电池板强度的影响，研究了封头厚度对太阳能电池板强度的影响。
通过分析得知：
ü 不同设计方案的太阳能电池板强度均满足设计要求；
ü 0度工况，太阳能电池板最大变形为0.8428mm，说明该太阳能电池板刚度满足设计要求。最大应力为50.36MPa，出现在太阳能电池板的中间3个连接梁位置，小于材料的须用应力250MPa，满足强度要求。最大变形为3.5735mm，说明该太阳能电池板刚度满足设计要求。
ü 25度工况，太阳能电池板最大应力为77.314MPa，出现在太阳能电池板的中间3个连接梁位置，小于材料的须用应力250MPa，满足强度要求。
ü 45度工况，最大变形为3.2473mm，说明该太阳能电池板刚度满足设计要求。最大应力为87.684MPa，出现在太阳能电池板的中间3个连接梁位置，小于材料的须用应力250MPa，满足强度要求。
具体图片，在个人主页的文档中。
2.有限元前处理
2.1 仿真分析的意义和方法
由于太阳能电池板工作环境复杂，传统的设计、开发方法已经不能完全满足新产品研发的需要。而基于有限元理论的结构仿真分析技术早已在这些产品的设计领域展开了广泛的应用并显示出良好的效果。因此，亟需采用先进结构有限元仿真分析软件对其进行强度、多方案优化等方面的分析。
通过计算机仿真分析，可以准确的计算出太阳能电池板结构在各种载荷下的应力场、应变场等分布，以此进行优化设计、方案评价，达到研制出高技术、高性能、高可靠性的太阳能电池板的目的。
CAE仿真的应用可以极大的提高产品研发的效率和速度，取代部分实物试验工作，缩短研发周期，降低研发成本。
随着各种新技术的应用与发展，例如各种计算技术的发展、计算机硬件技术的快速发展（包括芯片、存储设备、新材料），也推动着CAE技术的高速发展。对于各种复杂问题，前几年可能需要人工处理、作大量的简化、近似，有的甚至无能为力，现在CAE技术已经突破了各种限制。例如作为世界上最大的、最具影响的、CAE技术的领导者ANSYS，通过这几年的高速发展，在模型处理技术、装配体分析技术、非线性分析技术、材料模型、单元技术、复合材料、断裂力学、动力学、高性能并行计算技术、多学科协同仿真技术、多学科优化等各个方面都有实质性的突破，这些新的技术将促进和推动CAE技术在各个行业的广泛和深入的应用，帮助企业优化科研流程，快速、高效、低成本的推出高质量的产品和进行研发工作。
2.2 3种仿真分析工况概述
某太阳能电池板需要进行强度分析，以验证其结构薄弱位置，是否满足要求。工况包括0度位置工况和25度位置工况以及45度位置工况。
根据设计要求，需要对太阳能电池板进行3种静力分析工况的分析。Workbench下仿真分析流程图如下图所示：
2.2 材料模型
太阳能电池板分别使用了钢材、铝合金及玻璃材料，需要的材料参数包括密度、杨氏模量、泊松比。太阳能电池板的各个材料参数如下图所示：
2.3几何模型
在Solidworks中建立了几何模型，导入DM中进行模型的检查、修复和处理。处理后的太阳能电池板0度、25度、45度的模型分别如下图所示：
2.4有限元网格
便于六面体划分的体采用六面体网格划分，其他体的网格全部采用四面体网格，经过验证中节点四面体网格与六面体网格精度非常接近。
单元统一采用40mm单元边长，划分后的0度、25度、45度的网格分别如图所示，网格数均为36345个，节点数26771个。
2.5连接关系
太阳能电池板几个体之间进行绑定接触处理。
3、静强度分析
3.1 工况1（0度）边界及结果分析
根据设计规范，底部固定约束，面板侧面施加562.5pa的风载荷，并施加重力，如下图所示。
通过有限元计算得到的变形及应力如下图所示：
（1）最大变形为0.8428mm，说明该太阳能电池板刚度满足设计要求。
（2）最大应力为50.36MPa，出现在太阳能电池板的中间3个连接梁位置，小于材料的须用应力250MPa，满足强度要求。
3.2 工况2（25度）边界及结果分析
根据设计规范，底部固定约束，面板正面施加平行于地面的562.5pa的风载荷，并施加重力，如下图所示。
通过有限元计算得到的变形及应力如下图所示：
（3）最大变形为3.5735mm，说明该太阳能电池板刚度满足设计要求。
（4）最大应力为77.314MPa，出现在太阳能电池板的中间3个连接梁位置，小于材料的须用应力250MPa，满足强度要求。
3.3工况3（45度）边界及结果分析
根据设计规范，底部固定约束，面板正面施加平行于地面的562.5pa的风载荷，并施加重力，如下图所示。
通过有限元计算得到的变形及应力如下图所示：
（5）最大变形为3.2473mm，说明该太阳能电池板刚度满足设计要求。
（6）最大应力为87.684MPa，出现在太阳能电池板的中间3个连接梁位置，小于材料的须用应力250MPa，满足强度要求。
4、小结
本章介绍了太阳能电池板的仿真分析，包括3个工况（0度、25度、45度位置）的静力分析。
经过计算，变形均小于5mm，满足刚度标准要求，各工况应力均小于材料须用应力，强度满足要求。
太阳能电池板为工业生产过程中不可或缺的关键设备，现已广泛应用于核工业、石油化工、冶金、医药食品等领域，随着科技的发展与生产的需求，太阳能电池板的结构尺寸和结构形式越来越复杂，不同角度的风载工况条件，使得太阳能电池板的设计要求也越来越高。本文运用有限元分析法对太阳能电池板的结构应力进行分析，可指导太阳能电池板的结构优化。
本文对3组不同设计方案的太阳能电池板进行了静强度分析。通过分析，研究了不同角度太阳能电池板强度的影响，研究了封头厚度对太阳能电池板强度的影响。
通过分析得知：
ü 不同设计方案的太阳能电池板强度均满足设计要求；
ü 0度工况，太阳能电池板最大变形为0.8428mm，说明该太阳能电池板刚度满足设计要求。最大应力为50.36MPa，出现在太阳能电池板的中间3个连接梁位置，小于材料的须用应力250MPa，满足强度要求。最大变形为3.5735mm，说明该太阳能电池板刚度满足设计要求。
ü 25度工况，太阳能电池板最大应力为77.314MPa，出现在太阳能电池板的中间3个连接梁位置，小于材料的须用应力250MPa，满足强度要求。
ü 45度工况，最大变形为3.2473mm，说明该太阳能电池板刚度满足设计要求。最大应力为87.684MPa，出现在太阳能电池板的中间3个连接梁位置，小于材料的须用应力250MPa，满足强度要求。
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