CN111460662A - 一种柔性光伏支架结构的气弹模型的建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于工程结构抗风领域，尤其是涉及一种柔性光伏支架结构的气弹模型的建立方法。本发明提供一种柔性光伏结构气弹模型的建立方法，能够同时满足柔性光伏支架结构的气弹模型与原型之间在几何外形、质量和刚度上的相似性，实现了柔性光伏支架结构水平拉索和斜拉索预张力的合理准确施加。该方法所建立的气弹模型能够合理地模拟原型结构的气动外形和风振动力特性，可为同类柔性光伏支架结构工程的抗风设计提供试验技术支撑。

Description

一种柔性光伏支架结构的气弹模型的建立方法

技术领域

本发明属于工程结构抗风设计领域，尤其是涉及一种柔性光伏支架结构的气弹模型的建立方法。

背景技术

光伏发电作为一种技术成熟的可再生清洁能源，因具有较好的环保性和经济性而受到了市场的广泛青睐。随着我国光伏行业的高速发展，优质的项目建设用地快速消耗殆尽，因此充分开发利用非优质空间资源(例如滩涂、荒废山地等)将具有广阔的市场前景。为了适应市场发展需求，近年来一种基于预应力拉索体系的柔性光伏支架结构应运而生。该结构通常由立柱、横梁、水平拉索和斜拉索组成，通过对拉索施加预应力从而实现光伏组件的大跨越布置。与传统光伏支架结构不同，柔性光伏支架结构轻柔，风振响应明显，属于风敏感结构。为保障结构抗风设计安全，有必要对柔性光伏支架结构的风振动力响应进行测试分析。缩尺模型的气弹试验可以反映风场下原结构的真实动力响应，是结构抗风设计有效手段。然而，目前针对柔性光伏支架结构的气弹试验开展较少，缺少相应的指导方法。因此，研发一套针对柔性光伏支架结构的气弹模型设计方法显得尤为必要。

发明内容

本发明旨在建立一种针对柔性光伏支架结构的气弹模型的建立方法，为该类结构的抗风设计提供试验支撑。

为此，本发明的上述目的通过采用以下技术方案来实现：

一种柔性光伏支架结构的气弹模型的建立方法，其特征在于：所述柔性光伏支架结构的气弹模型的建立方法，包括以下步骤：

1)柔性光伏支架结构的气弹模型的水平拉索的确定

柔性光伏支架结构气弹模型的水平拉索应满足抗拉刚度的相似要求：选择气弹模型水平拉索的弹性模量E_1m与原型水平拉索弹性模量E之比为α，其中：α一般应不小于1/n，则柔性光伏支架结构气弹模型中水平拉索的截面积可以按照公式(1)确定：

式中，A₁为原型柔性光伏支架结构水平拉索的截面积，A_1m为柔性光伏支架结构气弹模型水平拉索的截面积，n为柔性光伏支架结构原型与气弹模型间的几何缩尺比；

在柔性光伏支架结构气弹模型的水平拉索上外套设空心套管，套管截面尺寸可根据原型截面按照几何缩尺比确定，并且每隔5～15cm截断套管；

空心套管的单位长度质量m_t应该满足公式(2)的关系：

式中，ρ₁、ρ_1m分别为原型柔性光伏支架结构水平拉索和气弹模型水平拉索的密度；

水平拉索所需要的单位长度附加质量Δm₁由公式(3)确定：

2)柔性光伏支架结构气弹模型的斜拉索的确定

柔性光伏支架结构气弹模型中斜拉索的截面积，斜拉索外套管的几何尺寸和质量及斜拉索的附加质量可由照步骤1)确定，为了便于施加预应力，柔性光伏支架结构气弹模型的斜拉索一端通过弹簧与立柱顶端相连，弹簧的刚度k可按照式(4)确定：

式中，E_2m、A_2m分别为柔性光伏支架结构气弹模型中斜拉索的弹性模量和截面积，a为弹簧的自由长度；若由公式(4)得到的k值过大而无法满足实际的弹簧制作工艺，则可以适当减小k值，但减小后的k值应当至少保证柔性光伏支架结构的气弹模型和原型在前3阶的模态频率之比满足

的关系；最后，根据选定的弹簧刚度k来确定弹簧规格；

3)柔性光伏支架结构气弹模型的立柱和横梁的确定

柔性光伏支架结构气弹模型的立柱与横梁采用芯部加外壳的组合方式来模拟，其中芯部模拟所述立柱与横梁模型的刚度，而外壳模拟所述立柱与横梁模型的几何外形；选择柔性光伏支架结构立柱和横梁的气弹模型与原型的弹性模量之比分别为β₁、β₂，其中：β₁、β₂一般应不小于1/n；为模拟原型立柱与横梁的抗弯特性，柔性光伏支架结构气弹模型的立柱与横梁的截面惯性矩应分别由公式(5)和(6)确定：

式中，I₁、I₂分别为原型柔性光伏支架结构立柱截面绕其长、宽方向的截面惯性矩，I₃、I₄分别为原型柔性光伏支架结构横梁截面绕其长、宽方向的截面惯性矩，I_1m、I_2m分别为柔性光伏支架结构气弹模型中立柱芯部截面绕其长、宽方向的截面惯性矩，I_3m、I_4m分别为柔性光伏支架结构气弹模型中横梁芯部截面绕其长、宽方向的截面惯性矩；

根据几何缩尺比可以确定柔性光伏支架结构气弹模型的立柱和横梁的外壳尺寸，气弹模型中立柱和横梁的外壳质量应满足公式(7)要求：

式中，m_c、m_b分别为原型柔性光伏支架结构立柱和横梁的质量，m_c1、m_b1分别为柔性光伏支架结构气弹模型中立柱和横梁芯部的质量，m_c2、m_b2分别为柔性光伏支架结构气弹模型中立柱和横梁外壳的质量；

气弹模型中立柱和横梁所需要的附加质量Δm_c、Δm_b由公式(8)确定：

式中，Δm_c、Δm_b分别为柔性光伏支架结构的气弹模型的立柱和横梁所需的附加质量；

4)柔性光伏支架结构气弹模型的光伏组件的确定

柔性光伏支架结构气弹模型的光伏组件几何尺寸可由模型几何缩尺比确定，根据公式(9)确定气弹模型中光伏组件的材料弹性模量：

式中，E_pv、E_pvm分别为柔性光伏支架结构原型和气弹模型中光伏板的弹性模量；若原型光伏组件的弹性模量未知，则可通过有限元建模分析近似确定；

根据公式(9)得到的弹性模量选取光伏组件模型材料，当所选的光伏组件模型材料密度ρ_pvm大于原型光伏组件密度ρ_pv，即ρ_pvm＞ρ_pv，应对光伏组件模型进行掏空，单块光伏组件模型的掏空质量Δm_pv由公式(10)确定：

Δm_pv＝(ρ_pvm-ρ_pv)V_m (10)

当所选光伏组件模型材料密度ρ_pvm＜ρ_pv，应对光伏组件模型增加配重，单块光伏组件模型增加的配重质量Δm_pv由公式(11)确定：

Δm_pv＝(ρ_pv-ρ_pvm)V_m (11)

式中，V_m为单块光伏组件模型的体积；

5)柔性光伏支架结构气弹模型的拉索预张力的施加

对于柔性光伏支架结构气弹模型的斜拉索，通过对斜拉索与立柱顶部的连接弹簧进行预张拉来保证模型预张力的施加，弹簧拉伸量Δx可由公式(12)确定：

式中，l₂为原型柔性光伏支架结构中斜拉索的长度，F₁为原型柔性光伏支架结构中斜拉索施加的预张力；

考虑到连接弹簧的自由长度和伸长量的影响，气弹模型中斜拉索的长度l_2m应按照公式(13)来修正：

对于柔性光伏支架结构气弹模型的水平拉索，若原型的水平拉索受到的预张力为F₂，则气弹模型水平拉索的预张力可通过在水平拉索的一端施加质量为F₂/(9.8n³)的重物来实现。

本发明提供一种柔性光伏支架结构的气弹模型的建立方法，具有如下优点：

1)实现了柔性光伏支架结构的气弹模型与原型之间在几何外形、质量和刚度上的相似性同步模拟；

2)实现了柔性光伏支架结构水平拉索和斜拉索预张力的合理准确施加；

3)能够有效模拟原型柔性光伏支架结构的气动外形和风致振动动力特性，可为同类支架结构工程的抗风设计提供试验技术支撑。

附图说明

图1为原型柔性光伏支架结构的正视图。

图2为原型柔性光伏支架结构的俯视图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作详细说明。本实施例是以本发明技术方案为基础下展开的，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

本实施例的柔性光伏支架结构包括：1)水平和斜向钢拉索：圆形截面，两者的截面直径均约为19mm，截面积均为280mm²，其中2根水平拉索的长度均为15m，4根斜拉索的长度均为5.09m，每根水平拉索和斜拉索均施加有224000N的预张力；2)钢立柱：矩形截面，高3.6m，截面尺寸为150mm×150mm；3)钢横梁：矩形截面，长1.0m，截面尺寸为100mm×100mm，钢材的弹性模量为1.94×10⁵Mpa，密度为7.85g/cm³；4)光伏组件：其尺寸为：2000mm×1000mm×40mm，密度为0.31g/cm³，弹性模量为0.72×10⁵Mpa，原型柔性光伏支架结构的正视图和俯视图分别如图1和图2所示。

1)柔性光伏支架结构气弹模型的水平拉索与斜拉索的确定

选取柔性光伏支架结构原型和气弹模型的几何缩尺比为n＝10。气弹模型中水平拉索和斜拉索选用与原型相同的材料，即α＝1，E_1m＝E_2m＝1.94×10⁵Mpa，ρ_1m＝7.85g/cm³。由公式(1)得气弹模型中水平拉索和斜拉索截面积A_1m＝A_2m＝0.28mm²，即拉索的截面直径约为0.6mm。根据几何缩尺比得到水平拉索和斜拉索的套管外直径为1.9mm。故采用内直径0.8mm，外直径1.9mm的外套管，套管单位长度质量为

满足公式(2)的要求。套管每隔5cm截断。由公式(3)计算出气弹模型水平拉索和斜拉索单位长度所需的附加质量Δm₁＝0g/m。

选取与斜拉索模型串联的连接弹簧自由长度a＝50mm，由公式(4)得到的弹簧刚度k＝1086N/mm。考虑到制作工艺的限制难以实现计算得到的弹簧刚度，故再次选择弹簧刚度k＝60N/mm。根据所选弹簧，比较柔性光伏支架结构气弹模型与原型的前3阶模态频率(见表1)。由表1可见，原型和气弹模型的前3阶频率比均接近

说明所选弹簧满足要求。

表1原型与模型频率对比

2)柔性光伏支架结构气弹模型的立柱与横梁的确定

柔性光伏支架结构气弹模型的立柱和横梁芯部均采用钢材，即β₁＝β₂＝1。根据几何缩尺比得到立柱模型的芯部高为360mm，横梁模型的芯部长为100mm。根据公式(5)和(6)可得气弹模型中立柱和横梁芯部截面惯性矩分别为：I_1m＝I_2m＝421.875mm⁴，I_3m＝I_4m＝83.33mm⁴；根据几何缩尺比可得立柱外壳尺寸为15mm×15mm，横梁外壳尺寸为10mm×10mm；选择立柱模型的外壳质量

横梁模型的外壳质量

满足公式(7)要求。因此根据公式(8)，气弹模型中立柱和横梁所需要的附加质量Δm_c＝Δm_b＝0g/m。

3)柔性光伏支架结构气弹模型的光伏组件的确定

气弹模型中光伏组件的尺寸根据几何缩尺比得到为200mm×100mm×4mm，根据公式(9)得到光伏组件模型的弹性模量E_pvm＝7.2Gpa，故选用木材来模拟光伏组件模型。光伏组件模型的密度ρ_pvm＝0.5g/cm³＞ρ_pv＝0.31g/cm³，则由公式(10)可得单块光伏组件模型需掏空的质量为Δm_pv＝15.2g。

4)柔性光伏支架结构气弹模型的预张力的施加

对于气弹模型的斜拉索，通过预张拉连接弹簧来施加预张力。由公式(12)可得，弹簧预张量Δx＝5.6mm。进一步根据公式(13)可以得到修正后的斜拉索模型长度l_2m＝453.4mm。而对于水平拉索则通过在拉索一端悬挂质量为22.86kg的重锤来实现预张力的施加。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施例，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种柔性光伏支架结构的气弹模型的建立方法，其特征在于：所述柔性光伏支架结构的气弹模型的建立方法，包括以下步骤：

1)柔性光伏支架结构的气弹模型的水平拉索的确定

柔性光伏支架结构气弹模型的水平拉索应满足抗拉刚度的相似要求：选择气弹模型水平拉索的弹性模量E_1m与原型水平拉索弹性模量E之比为α，其中：α一般应不小于1/n，则柔性光伏支架结构气弹模型中水平拉索的截面积可以按照公式(1)确定：

式中，A₁为原型柔性光伏支架结构水平拉索的截面积，A_1m为柔性光伏支架结构气弹模型水平拉索的截面积，n为柔性光伏支架结构原型与气弹模型间的几何缩尺比；

在柔性光伏支架结构气弹模型的水平拉索上外套设空心套管，套管截面尺寸可根据原型截面按照几何缩尺比确定，并且每隔5～15cm截断套管；

空心套管的单位长度质量m_t应该满足公式(2)的关系：

式中，ρ₁、ρ_1m分别为原型柔性光伏支架结构水平拉索和气弹模型水平拉索的密度；

水平拉索所需要的单位长度附加质量Δm₁由公式(3)确定：

2)柔性光伏支架结构气弹模型的斜拉索的确定

柔性光伏支架结构气弹模型中斜拉索的截面积，斜拉索外套管的几何尺寸和质量及斜拉索的附加质量可由照步骤1)确定，为了便于施加预应力，柔性光伏支架结构气弹模型的斜拉索一端通过弹簧与立柱顶端相连，弹簧的刚度k可按照式(4)确定：

式中，E_2m、A_2m分别为柔性光伏支架结构气弹模型中斜拉索的弹性模量和截面积，a为弹簧的自由长度；若由公式(4)得到的k值过大而无法满足实际的弹簧制作工艺，则可以适当减小k值，但减小后的k值应当至少保证柔性光伏支架结构的气弹模型和原型在前3阶的模态频率之比满足

的关系；最后，根据选定的弹簧刚度k来确定弹簧规格；

3)柔性光伏支架结构气弹模型的立柱和横梁的确定

柔性光伏支架结构气弹模型的立柱与横梁采用芯部加外壳的组合方式来模拟，其中芯部模拟所述立柱与横梁模型的刚度，而外壳模拟所述立柱与横梁模型的几何外形；选择柔性光伏支架结构立柱和横梁的气弹模型与原型的弹性模量之比分别为β₁、β₂，其中：β₁、β₂一般应不小于1/n；为模拟原型立柱与横梁的抗弯特性，柔性光伏支架结构气弹模型的立柱与横梁的截面惯性矩应分别由公式(5)和(6)确定：

式中，I₁、I₂分别为原型柔性光伏支架结构立柱截面绕其长、宽方向的截面惯性矩，I₃、I₄分别为原型柔性光伏支架结构横梁截面绕其长、宽方向的截面惯性矩，I_1m、I_2m分别为柔性光伏支架结构气弹模型中立柱芯部截面绕其长、宽方向的截面惯性矩，I_3m、I_4m分别为柔性光伏支架结构气弹模型中横梁芯部截面绕其长、宽方向的截面惯性矩；

根据几何缩尺比可以确定柔性光伏支架结构气弹模型的立柱和横梁的外壳尺寸，气弹模型中立柱和横梁的外壳质量应满足公式(7)要求：

式中，m_c、m_b分别为原型柔性光伏支架结构立柱和横梁的质量，m_c1、m_b1分别为柔性光伏支架结构气弹模型中立柱和横梁芯部的质量，m_c2、m_b2分别为柔性光伏支架结构气弹模型中立柱和横梁外壳的质量；

气弹模型中立柱和横梁所需要的附加质量Δm_c、Δm_b由公式(8)确定：

式中，Δm_c、Δm_b分别为柔性光伏支架结构的气弹模型的立柱和横梁所需的附加质量；

4)柔性光伏支架结构气弹模型的光伏组件的确定

柔性光伏支架结构气弹模型的光伏组件几何尺寸可由模型几何缩尺比确定，根据公式(9)确定气弹模型中光伏组件的材料弹性模量：

式中，E_pv、E_pvm分别为柔性光伏支架结构原型和气弹模型中光伏板的弹性模量；若原型光伏组件的弹性模量未知，则可通过有限元建模分析近似确定；

根据公式(9)得到的弹性模量选取光伏组件模型材料，当所选的光伏组件模型材料密度ρ_pvm大于原型光伏组件密度ρ_pv，即ρ_pvm＞ρ_pv，应对光伏组件模型进行掏空，单块光伏组件模型的掏空质量Δm_pv由公式(10)确定：

Δm_pv＝(ρ_pvm-ρ_pv)V_m (10)

当所选光伏组件模型材料密度ρ_pvm＜ρ_pv，应对光伏组件模型增加配重，单块光伏组件模型增加的配重质量Δm_pv由公式(11)确定：

Δm_pv＝(ρ_pv-ρ_pvm)V_m (11)

式中，V_m为单块光伏组件模型的体积；

5)柔性光伏支架结构气弹模型的拉索预张力的施加

对于柔性光伏支架结构气弹模型的斜拉索，通过对斜拉索与立柱顶部的连接弹簧进行预张拉来保证模型预张力的施加，弹簧拉伸量Δx可由公式(12)确定：

式中，l₂为原型柔性光伏支架结构中斜拉索的长度，F₁为原型柔性光伏支架结构中斜拉索施加的预张力；

考虑到连接弹簧的自由长度和伸长量的影响，气弹模型中斜拉索的长度l_2m应按照公式(13)来修正：

对于柔性光伏支架结构气弹模型的水平拉索，若原型的水平拉索受到的预张力为F₂，则气弹模型水平拉索的预张力可通过在水平拉索的一端施加质量为F₂/(9.8n³)的重物来实现。

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