太阳能热水器集热器安装架结构设计与模态研究

太阳能热水器集热器安装架结构设计与模态研究

史勇春

江苏桑力太阳能产业有限公司 江苏省盐城市 224007

摘要：本文针对太阳能热水器集热器安装架的结构设计思路进行了大体分析，从模态分析法、集热器安装架模型导入、模态分析与各阶模态振型对比、集热器安装技术优化四个层面入手，针对集热器安装架结构进行具体的模态分析。研究结果表明，方管型材集热器安装架的刚度、抗震性能均较优，具备良好应用价值。

关键词：集热器；安装架；方管型材；振型对比

太阳能热水器是一种将太阳辐射转换为热能的装置系统，当前建筑工程领域普遍选用壁挂式太阳能热水器，利用普通支架将集热装置安装、固定在阳台外墙面处，但普通支架的结构形式为集热管安装与后期维护带来不便，且存在一定的安全隐患，因此需针对集热器安装架的结构进行改良设计，优化其使用性能。

一、太阳能热水器集热器安装架的结构设计

壁挂式太阳能热水器在高层建筑中得到广泛应用，然而利用普通支架作为集热器安装架将为集热管安装、维护环节带来诸多不便，并且在振动作用下易加剧材料疲劳、机械结构损坏等问题，存在较大的安全隐患。基于此，本文设计了一款简单的太阳能集热器安装架，可实现集热器与建筑外墙间的有效连接，为集热管等部件的安装、拆卸工作创设便捷条件^[1]。

在集热器安装架的设计上，可选取T形型材、方管型材两种材料进行安装架的加工制造。安装架主要由支撑架、滑动座、定位螺栓三部分组成，整体结构呈现为直角梯形，在斜面处设有滑槽，共设有4个固定孔，其中固定孔a位于滑动座上、作为支撑架固定孔，在孔上端设有卡接平台；在滑动座上设有滑动凸台，卡接在支撑架斜面滑槽内，能够沿滑槽移动；在滑动座两侧设有固定卡接板，固定孔b位于固定卡接板上，在固定孔b、c内设有定位螺栓起到固定连接作用，固定孔d位于支撑架顶部与斜面连接部位。采用UG6.0软件针对集热器安装架进行建模，待所有零部件均设计完毕后，在模拟装配环节进行零部件参数的测试，选取质量特征工具计算出零部件的质量、体积、转动惯量与不同面的间距等参数，并针对运动干涉等进行检查。在此基础上，依照安装架设计方案将其与集热器进行连接，构建安装集热装置后的集热器安装架三维模型。

二、集热器安装架结构的模态分析

1.模态分析法

采用模态分析法主要利用模态参数针对机械结构的振动特性进行评价与分析，依据结构振动特征方程计算出具体的特征值与特征向量，以此作为模态参数，将其分别与结构固有频率、模态振型进行对应。两项模态参数均为振动系统固有特性，与结构刚度、质量分布情况存在关联性，系统的频率特征方程表示为det(K-ω²M)=0（其中K为刚度矩阵，ω为简谐振动频率，M为质量矩阵）。通常情况下，利用频率特征方程可求出n个自由度振动系统的n个固有频率，各阶固有频率的数量关系为0≦ω₁≦ω₂≦…≦ω_n，其中最低阶固有频率ω₁称为第一阶固有频率，以此类推，将各阶固有频率数值代入到公式(K-ω²M)u=0中，即可求解出其特征向量。固有频率ω_r与特征向量u_r构成系统的第r阶自然模态，用于表示系统的第r阶运动状态；u_r为系统以一定频率作自由振动时各节点振幅的相对大小，即固有振型、主模态；n个固有频率与n个特征向量保持两两正交关系，每一阶模态均无法用其他阶进行表示，并且每一阶的振动形态具有唯一性，无法利用其他振型表示每一阶的振型。

2.集热器安装架模型导入

采用ANSYS软件进行集热器安装架模型的仿真分析，在UG6.0软件中分别建立T形型材、方管型材安装架的模型，将模型保存为IGES格式文件，随后利用ANSYS软件读取两个模型的文件，完成模型导入，并依照1:0.001的比例将参数数值进行统一换算。本文选取45钢作为集热器安装架的制作材料，其弹性模量为210GPa、泊松比为0.31、屈服强度为355MPa、强度极限为600MPa、剪切强度为178MPa、疲劳强度为135MPa。在此基础上，针对两种型材的安装架模型进行自由网格划分，将单元类型设为Solid brick 8node45、取分网值为9，由此得出T形型材、方管型材安装架模型的单元数量分别为17781个和40458个，并分别建立两种安装架的有限元模型。

3.模态分析与各阶模态振型对比

选用ANSYS软件中的分块兰索斯法进行模态提取，用于完成刚体模型的处理，由于不同阶次振型下的固有频率皆可能导致安装架出现破坏，因此需将模态分析扩展至五阶。其中第1组T形型材频率为69.51、方管型材频率为183.86，振型为绕y轴一阶摆动；第2组T形型材频率为140.43、方管型材频率为361.80，振型为绕z轴一阶摆动；第3组T形型材频率为199.61、方管型材频率为501.74，振型为绕x轴扭转；第4组T形型材频率为340.59、方管型材频率为808.06，振型为绕y轴二阶摆动；第5组T形型材频率为520.43、方管型材频率为1072.80，振型为绕z轴二阶摆动。通过观察各阶模态振型的对比结果与UG模型的质量分析结果可以发现，T形型材、方管型材安装架的质量分别为1.72kg和1.76kg，二者质量无明显差别；但方管型材安装架在同一阶上的固有频率显著高于T形型材安装架，并且在频率相近的情况下方管型材安装架的振幅要小于T形型材安装架。综合模态分析与各阶模态振型对比结果可以发现，在质量相同的情况下，方管型材安装架的刚度更高、抗震性能更好，因此应选取该材料作为集热器安装架的制作材料。

4.集热器安装技术优化

在针对太阳能热水器集热器安装架结构进行改良设计的基础上，还需基于节能环保视角进行集热器整体性能的优化，使集热器与太阳光入射光线角始终保持垂直关系，保障太阳能热水器尽可能收集到最多的太阳能^[2]。例如可选用固定式或半固定式跟踪装置，将其与集热器安装架进行一体化设计，根据太阳光的光照变化调整集热器方位与朝向，确保有效吸收太阳能、提高集热器工作效率；同时还应针对集热器安装的位置进行优化，将集热器安装架安装在建筑墙面或阳台处，通过缩短管路长度的方式减小热水供应路程，在节约成本的基础上提升太阳能利用率，并且保障安装架的稳定性，更好地优化太阳能集热器的使用性能。

结论：集热器安装架的结构设计既要考虑到集热器安装与维修的可操作性、安全性，同时也应兼顾风载、地震等动荷载对机械结构的影响。本文针对利用方管型材、T形型材加工制成的安装架结构进行模态分析，比较二者在固有频率与振型上存在的差异，证明方管型材安装架的刚度更高、抗震性能更强，具备适用价值。

参考文献：黄俊鹏,陈讲运,徐尤锦.平板太阳能集热器技术发展趋势[J].建设科技,2017,(04):40-47.