基于ANSYS WORKBENCH的光伏逆變器新型掛墻支架輕量化研究

:1. 背景介紹

輕量化，顧名思義就是在保證零組件(或整機(jī))的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)安全的前提下，盡可能的降低質(zhì)量。由于CAE的廣泛使用，輕量化設(shè)計在汽車行業(yè)已取得了顯著成效。組串型光伏逆變器將光伏組件產(chǎn)生的直流電直接轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟妳R總后升壓、并網(wǎng)。由于其自身特點，在使用現(xiàn)場通常是掛墻安裝，如圖1。逆變器的質(zhì)量大頭是散熱器和外殼(包括箱體和掛墻鈑金件)。之前，組串型逆變器功率大多在20KW下，質(zhì)量一般不超過20kg，單人尚可安裝與維護(hù)。近期，隨著技術(shù)進(jìn)步，組串型逆變器功率等級和質(zhì)量逐步提高，已出現(xiàn)質(zhì)量70kg型號。安裝、維護(hù)和包裝運輸都面臨更大的挑戰(zhàn)。散熱器的減重研究在筆者之前的論文《基于ICEPAK熱仿真的的光伏逆變器結(jié)構(gòu)優(yōu)化》和《利用響應(yīng)面優(yōu)化評估150kw逆變器散熱方案》已有詳細(xì)論述。針對掛墻支架，利用ANSYS WORKBENCH有限元分析，本文提出一種“分體式二次承載”結(jié)構(gòu)，并制作了樣機(jī)驗證。

某型15kw壓鑄箱體光伏逆變器如圖2和圖3，質(zhì)量20kg，”墻面鈑金支架(標(biāo)記B處，壁厚3mm)+逆變器鈑金支架(標(biāo)記A處，壁厚2mm)”質(zhì)量為0.7kg。

掛墻前，逆變器鈑金支架預(yù)先固定在逆變器背面。掛墻狀態(tài)下，墻面鈑金支架在上下2端與逆變器接觸。根據(jù)力學(xué)原理，上下2個接觸點距離越大，則上接觸點承受的橫向拉力和下接觸點承受的橫向壓力越小，墻面鈑金支架有可能采用更薄的鈑金材料和更小尺寸。但距離越大墻面鈑金支架輪廓尺寸越大，進(jìn)而越重和成本更高。經(jīng)有限元分析，中間部分(圖4中標(biāo)記B)的鈑金材料對承載貢獻(xiàn)很小，存在優(yōu)化空間。

某型50kw鈑金箱體光伏逆變器如圖5，質(zhì)量48kg，單體結(jié)構(gòu)墻面支架(壁厚2mm)如圖6，”墻面支架+逆變器上下支架”質(zhì)量為3kg。理想的掛墻狀態(tài)應(yīng)為逆變器上支架和逆變器下支架在重力豎直方向同時接觸墻面支架。但因為鈑金件的制造公差和安裝誤差產(chǎn)生的間隙如圖7，逆變器下支架往往并沒有在重力豎直方向接觸墻面支架的下部鈑金。因此，墻面支架的下部鈑金并沒有承擔(dān)逆變器的重量，只起到了限制逆變器底部前后擺動的作用。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的4倍逆變器重量需要全部由墻面支架的上部鈑金承受，因此墻面支架的上部鈑金必須粗大厚實。上部鈑金和下部鈑金之間還需要1根連接鈑金如圖6，這進(jìn)一步增加了重量和成本。

又如某型35kw鈑金箱體光伏逆變器如圖8，質(zhì)量50kg，單體結(jié)構(gòu)墻面支架(壁厚2mm)如圖9，”墻面支架+逆變器上下支架”質(zhì)量為5.31kg。同樣由于間隙如圖10，墻面支架的下部鈑金并沒有承擔(dān)逆變器的重量，2個螺釘只起到了限制逆變器底部前后擺動的作用。

為減輕重量并充分利用鈑金材料，擬將墻面鈑金支架拆分為2件“分體式”結(jié)構(gòu)。注意到IEC 62109-1(光伏電力系統(tǒng)用電力變流器的安全)的掛墻安裝實驗要求：“安裝支架除了承受設(shè)備自重，還要再加上大小等于設(shè)備重量三倍的力。力的方向沿重心處垂直向下。試驗力在5s至10s內(nèi)從零逐漸增加到預(yù)定大小，然后維持1分鐘。”載荷分2次施加，為使墻面支架的下部鈑金充分發(fā)揮承載作用，墻面支架也可以設(shè)計成“二次承載”結(jié)構(gòu)。第一步載荷為逆變器自重，第二步載荷為逆變器4倍重量。

某型48kg鈑金箱體逆變器掛墻支架方案(詳細(xì)模型仿真)

前述48kg鈑金箱體逆變器詳細(xì)3D模型如圖11(電感罩和散熱器罩隱藏)，墻面支架為“分體式”，逆變器支架和墻面支架鈑金厚度均為1.5mm。圖12為“二次承載”實現(xiàn)方法示意圖。二次承載用螺釘，事先安裝在墻面下支架上但不擰緊，逆變器剛掛好時并不接觸逆變器下支架;旋轉(zhuǎn)二次承載用螺釘使其向上運動直到接觸逆變器下支架，此時可確保墻面下支架與墻面上支架一起承受標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的4倍逆變器重量。

為簡化計算，鈑金箱體(硬件部分)、電感、散熱器、風(fēng)扇模塊都設(shè)為剛體如圖13。其余鈑金件抽中面后采用殼單元SHELL281。鈑金材料使用系統(tǒng)自帶的非線性不銹鋼。計算時考慮非線性。為體現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的加載要求，施加標(biāo)準(zhǔn)地球重力載荷。3倍重量采用含2個載荷步的遠(yuǎn)程力施加，第一步大小為0，第二步3*48kgf。利用生死單元，二次承載用螺釘與逆變器下支架的摩擦接觸(interface treatment需設(shè)為adjust to touch)在第二個載荷步生效，第一個載荷步時被殺死，如圖14。幾何建模時，螺釘端面和下支架之間需存在間隙。此間隙值需要試算，以保證第一個載荷步結(jié)束時螺釘與下支架沒有干涉而且間隙足夠小，第二個載荷步開始計算后，螺釘與下支架的接觸單元數(shù)和接觸面積可以很快達(dá)到穩(wěn)定值。

需計算3種工況：(1)實驗條件下掛墻安裝承受4倍自身重量，(2)使用現(xiàn)場掛墻安裝只承受自身重量，(3)平放地面時，承受自身重量。

承受4倍自重時，計算所得最大等效應(yīng)力為235.36MPa如圖15，最大變形為3.334mm如圖16，逆變器上下支架和墻面上下支架質(zhì)量僅為1.3kg如圖17。

如圖18查看墻面上支架的豎直方向支反力，第一載荷步結(jié)束時為444.82N，第二載荷步結(jié)束時為626.43N。如圖19查看墻面下支架的豎直方向支反力，第一載荷步結(jié)束時為0N，第二載荷步結(jié)束時為1207.9N?？梢姷诙d荷步增加的3倍逆變器質(zhì)量，確實大部分被分配給了墻面下支架。

平放地面時工況，最大等效應(yīng)力如圖20為54.02MPa，最大變形如圖21為0.36mm。掛墻只承擔(dān)逆變器自重時工況，最大等效應(yīng)力如圖22為182.82MPa，最大變形如圖23為0.998mm。

某型50kg鈑金箱體逆變器掛墻支架方案(詳細(xì)模型仿真)

前述50kg鈑金箱體逆變器詳細(xì)3D模型如圖24(電感罩和箱體把手隱藏)，墻面支架為“分體式”，逆變器支架和墻面支架鈑金厚度均為1.5mm。二次承載的實現(xiàn)方法、載荷設(shè)置、鈑金材料、計算時考慮非線性的設(shè)置、二次承載用螺釘和逆變器下支架的接觸設(shè)置均同前述第2節(jié)。同樣計算3種工況：(1)實驗條件下掛墻安裝承受4倍自身重量，(2)使用現(xiàn)場掛墻安裝只承受自身重量，(3)平放地面時，承受自身重量。

承受4倍自重時，計算所得最大等效應(yīng)力為236.23MPa如圖25，最大變形為2.32mm如圖26，逆變器上下支架和墻面上下支架質(zhì)量僅為1.7kg如圖27。

如圖28查看墻面上支架的豎直方向支反力，第一載荷步結(jié)束時為442.25N，第二載荷步結(jié)束時為911.74N。如圖29查看墻面下支架的豎直方向支反力，第一載荷步結(jié)束時為0N，第二載荷步結(jié)束時為976.91N?？梢姷诙d荷步增加的3倍逆變器質(zhì)量，確實大部分被分配給了墻面下支架。