光伏材料轉運車承載平臺模塊化設計及有限元分析

陳進輝　趙柏程　馮文明　溫煒鵬　羅彪

摘 要：為了解決光伏電站施工現場的材料轉運問題，本文設計了一種新的多功能光伏材料轉運承載平臺。該平臺采用模塊化設計，通過不同模塊的快速切換實現不同光伏材料的高效轉運；同時為了保證光伏板等易碎件的安全運輸，在相應模塊中增加了減震和防傾覆等功能；最后利用有限元方法對平臺的強度進行了校核。

關鍵詞：模塊化設計 平穩性 安全性 有限元分析

1 引言

在光伏電場建設時，光伏材料的轉運環境都極其惡劣，為了保證光伏板等易碎材料的運輸安全需要設計一款專用的運輸承載平臺。近年來國內對特種車輛的車廂模塊化設計做了大量的研究，李悅怡[1]結合模塊化設計與快速設計的相關理論，完成了車廂可卸式垃圾車快速設計系統的初步研發工作，提高了產品的研發效率和繼承性。汪松年[2]等人對現有車廂擴展機構進行了分析，闡述了擴展機構及其控制系統的設計原理。王劍波[3]等人設計了一款整體式小型純電動物流車廂，提高了裝卸貨物的便捷性。Jian Zhang[4]等人針對輕型電動商用車的自重問題，提出了基于TC4鈦合金車架結構的輕量化設計思路。本文將考慮光伏轉運車的實際工況，對承載平臺的結構進行模塊化及減振設計，擬解決光伏板轉運時易碎問題，并實現其轉運架設材料的多功能化。

2 承載平臺模塊化設計

光伏材料轉運車的承載平臺主要用于光伏板和配套架設材料的裝載。光伏板的箱體尺寸為2.5 m×1.4 m×2.0 m，重0.8 t；架設材料則成捆轉運，其最大長度為8 m，重2.5t。由于光伏材料轉運車本身的裝載質量為3.0 t，故每趟能夠轉運三箱光伏板或者一捆架設材料，此外光伏材料轉運車具有很強的爬坡能力，能夠克服險峻地勢，故對承載平臺的設計提出了穩定性、安全性與經濟性的要求。為了使承載平臺兼顧裝卸貨物時的便捷性和模塊切換的經濟性，在承載平臺外部結構及尺寸不變的情況下通過其內部結構的模塊化設計實現平臺的多功能運輸。

2.1 轉運光伏板的承載平臺結構

考慮到每次轉運的光伏板為三箱，結合光伏板和平臺的相關尺寸，采用如圖1所示的承載布置。光伏板材料具有易碎的特性，在轉運過程中不能發生磕碰、損耗。因此當自動裝卸吊機將一箱光伏板裝入承載平臺時，需要插入相應的固定模塊與減震保護模塊，再進行下一箱光伏板的裝載，在光伏材料轉運車到達目的地后，也要分步進行光伏板的卸載。

如圖1所示，每箱光伏板之間有減震隔板，在轉運過程中可以減緩碰撞、吸收能量。此外，在裝載光伏板之前，承載平臺的底部需要鋪設一層箱底固定緩沖材料防止光伏板滑動與跳動。在轉運光伏板時，只需要在裝載時將緩沖隔板插入對應側板的槽鋼中。在轉運過程中，經常會因路況惡劣而發生晃動，而承載平臺底部的緩沖材料能夠吸收車輛跳動產生的能量，配合光伏板箱體之間的減震隔板，可有效防止光伏板之間發生磕碰，避免光伏板的損耗。

2.2 轉運架設材料的承載平臺結構

由于光伏材料轉運車裝載質量的限制，每次轉運架設材料的數量為一捆，長度為8 m。但是整車長度不足8 m，故在轉運架設材料時需要超出承載平臺長度。在設計承載平臺時應保證架設材料不發生滑動或滾動。同時應設計保護機構，防止車輛上、下坡時材料掉落。此外，架設材料質量較重，故在轉運時應盡量靠近整車質量中心，加裝側向防滑板塊，防止轉運途中車輛失衡。轉運架設材料時的簡易模型如圖2所示。

如圖4所示，圖上所圈之處增加了后板固定模塊（常規情況下收縮至承載平臺底部），在轉運架設材料時，尾板可拆卸，并伸出后板固定模塊。在裝載架設材料時，先將對應的基礎模塊安裝，再由自動裝卸裝置裝載，最后安裝轉運過程中的保護模塊。確保架設材料在轉運過程中固定承載，避免因為路面不平而發生側滑，提高了整車抗傾覆能力。

由于光伏板和架設材料的轉運要求不同，所用到的承載平臺模塊也有區別。故在轉運完光伏材料之后，可將減震隔板從側板槽鋼中拔出，并伸出前固定板，在裝載完架設材料之后，伸出后固定側板，并使用輔助固定綁帶將架設材料固定，即可轉運架設材料。反之，若是轉運完架設材料后，只需將前后側板收回，便可裝載光伏板及相關減震隔板。兩模塊切換操作簡便，工作可靠，省時省力，可大幅提高轉運效率。

3 工作原理

3.1 承載平臺主要參數如表1所示

3.2 主要結構

光伏材料轉運車的承載平臺主要由承載底板、長側板、短側板、前后擋板、自動裝卸電動起吊機、減震隔板材料（用于轉運光伏板）、固定支架（用于轉運架設材料）及部分警示部件組成。

承載平臺與車架的連接方式采用一體化連接，與貨柜式商用車車廂與車架的連接有一定的共性，但又有別于常規的商用車，承載平臺的內部模塊需要因轉運的材料不同而運用相對應的模塊以保證轉運途中光伏材料的完整性、運輸環境的穩定性以及運輸過程中的安全性，并需要做到可運輸不同材料。

3.3 主要特性

光伏材料轉運車及其承載平臺的設計符合GB 1589-2016《汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、 軸荷及質量限值》的規定，并在此基礎上進行相關結構強化、輕量化等優化設計，在滿足基本轉運要求的同時提升轉運效率。承載平臺可分為車廂總成、自動裝卸總成、轉運輔助保障總成。

（1）車廂總成根據光伏材料的物理特性以及駕駛室布置進行定制化設計，有別于常規貨物運輸車廂。合理利用空間布局，保證轉運過程的經濟性與安全性。

（2）自動裝卸總成主要由電動起吊機，滑動軌道等組成。

（3）轉運輔助保障總成主要由各模塊固定板、安全警示部件以及液壓水平支腿組成。光伏材料需要裝卸時，液壓支腿張開使光伏材料轉運車水平，確保裝卸的平穩。安全警示部件裝有相應的提示燈以及蜂鳴裝置，確保作業安全。

4 分析與討論

4.1 光伏板承載平臺靜力學分析

本文基于ANSYS-Workbench對兩種承載平臺的結構進行了有限元分析。對于光伏板承載平臺的結構靜力學分析，將承載平臺的各邊板設置成結構鋼材料，將隔板設置成緩沖板材料參數，導入簡易模型后，隱藏光伏板。采用正六面體單元進行網格劃分，架設材料模塊承載平臺同理。將承載平臺的底部添加固定約束。Z軸方向的載荷施加在如圖5所示的承載平臺底板上。同時考慮最大爬坡度的極限工況，設置Y軸方向的力，施加在三塊隔板上。其中，Z軸方向的載荷為24000N；Y軸方向的載荷為每個隔板8000N。在最大爬坡工況下的應力云圖及總變形云圖如圖3-5所示。

由圖3的變形云圖可知，在最大爬坡度的極限工況下，隔板的最大變形在隔板頂部的中間位置，最大變形量為0.010308mm。在實際的轉運過程中，其頂端位于光伏板箱體與隔板接觸面的中心位置，后續優化思路便可以從隔板高度入手。承載平臺的底板強度足夠，但邊板由于受到隔板變形的影響，也相對發生一定變形，但考慮到邊板槽鋼（即插入隔板的凹槽）有一定的結構強度，其變形可忽略不計。

圖4為光伏板承載平臺的等效彈性應變，最大等效彈性應變發生在隔板與承載平臺底板接觸處?？紤]到實際運輸中存在跳動震動，以及隔板與承載平臺底板非強制性接觸，且隔板自身存在一定重量，在后續的優化結構中，可以在承載平臺底板添加淺凹槽，當隔板裝入承載平臺時，可通過插入凹槽加強隔板的固定關系，可以減少等效彈性形變。

圖5為光伏板承載平臺模塊在轉運時的等效應力。其最大等效應力發生在隔板的最底側，吸收能量、減少碰撞力是隔板的固有屬性以及保證轉運完整安全的基本要求，所以最大等效應力是在隔板選材時必須考慮的因素。為保證極端環境下轉運工況的正常運行，隔板結構的疲勞壽命也是在實際轉運中必須要考慮的問題。

4.2 架設材料承載平臺靜力學分析

關于架設材料承載平臺模塊的結構強度分析，主要是前側板與后板固定模塊（圖6中省略了后板固定模塊，即收縮狀態）的強度。材料設置與邊板屬性一致，并與上文所述一樣，將架設材料隱藏，使用對應的力代替。固定約束在承載平臺的最底側以及光伏材料轉運車行駛方向的邊板兩側，對于承載平臺，施加如圖中Z軸反方向的力25000N（即-25000N），同樣考慮最極端情況，對前側板施加Y軸方向的力25000N。求解結果如圖6所示（總變形：mm）。

云圖結果顯示最大變形處發生在前側板處，約為1.45mm，對此應該加強前側板的結構強度，在后板固定的設計也需要考慮同類問題，即便是收縮結構也不能減少相應的強度。架設材料其本身也是高強度材料，且長度較長，質量較大，所以在裝載時需要保證固定模塊對其在轉運過程中的約束。

架設材料承載平臺的等效彈性形變求解如圖7所示。其最大等效彈性形變發生在前側板的上下邊以及中間處，在后續的優化中需要考慮在前側板添加相應的加強結構，避免其等效彈性形變影響其總變形量。

架設材料承載平臺的等效應力求解結果如圖8所示。其最大等效應力與等效彈性形變發生的位置相似，且在前側板的兩側邊更為明顯。但是承載平臺的兩邊板可打開，故在收合時，兩邊板與前側板的固定部件需要提高強度，使轉運過程中承載平臺各板的牢固，減少對前側板以及后板固定模塊的撞擊變形。在實際轉運過程中，完成了架設材料的裝載后，需要使用繩索配合該模塊中相應的輔助固定板，防止架設材料在轉運時發生滑動、跳動以及偏離整車質心，既要保證轉運的平穩性與安全性，又要延長承載平臺各板材的使用壽命，避免不必要的維護開支，提高轉運經濟性。

5 結語

在光伏材料轉運車承載平臺的模塊化設計中，參考了某些特種作業車的承載車箱結構以及工作原理，并根據光伏材料的相關特性，結合實際工況設計，建模，改進優化。通過建模與強度分析，驗證了光伏材料轉運車承載平臺的結構符合實際工程要求。同時模塊化及隔振設計可解決光伏板轉運途中易碎問題，并實現承載平臺多功能的用途。此外，該承載平臺也適用于轉運與光伏板具有相似特征的易碎材料，其架設材料轉運承載平臺也可用于轉運對貨物保護要求不高但長度尺寸較大的材料。

湖南省大學生創新創業訓練項目（No.2022X10555003）；衡陽市科技創新重大項目（202150013986）。

參考文獻：

[1]李悅怡. 基于模塊化的車廂可卸式垃圾車快速設計系統的開發[D].河北工業大學，2017.

[2]汪松年，李永香，杜遙.可擴展式車廂的結構設計與選型[J].移動電源與車輛，2020，No.201（03）：32-36.

[3]王劍波，楊旭.易裝卸式城市電動物流車廂設計[J].汽車實用技術，2018，No.273（18）：12-14.

[4]Zhang Jian and Xie Yulin 2020 Research on lightweight optimization of a micro electric commercial vehicle frame Journal of Mechanical and Electrical Engineering 37 283-287.

[5]Pandey，M.，Bhattacharya，B. A Parametric Study Analysing the Effect of Bolster Suspension Parameters on the Carbody Dynamic Response in a Freight Wagon Fitted with Three-Piece Bogie.J. Vib. Eng. Technol. 8，625–641（2020）.