光伏材料转运车承载平台模块化设计及有限元分析

陈进辉　赵柏程　冯文明　温炜鹏　罗彪

摘 要：为了解决光伏电站施工现场的材料转运问题，本文设计了一种新的多功能光伏材料转运承载平台。该平台采用模块化设计，通过不同模块的快速切换实现不同光伏材料的高效转运；同时为了保证光伏板等易碎件的安全运输，在相应模块中增加了减震和防倾覆等功能；最后利用有限元方法对平台的强度进行了校核。

关键词：模块化设计 平稳性 安全性 有限元分析

1 引言

在光伏电场建设时，光伏材料的转运环境都极其恶劣，为了保证光伏板等易碎材料的运输安全需要设计一款专用的运输承载平台。近年来国内对特种车辆的车厢模块化设计做了大量的研究，李悦怡[1]结合模块化设计与快速设计的相关理论，完成了车厢可卸式垃圾车快速设计系统的初步研发工作，提高了产品的研发效率和继承性。汪松年[2]等人对现有车厢扩展机构进行了分析，阐述了扩展机构及其控制系统的设计原理。王剑波[3]等人设计了一款整体式小型纯电动物流车厢，提高了装卸货物的便捷性。Jian Zhang[4]等人针对轻型电动商用车的自重问题，提出了基于TC4钛合金车架结构的轻量化设计思路。本文将考虑光伏转运车的实际工况，对承载平台的结构进行模块化及减振设计，拟解决光伏板转运时易碎问题，并实现其转运架设材料的多功能化。

2 承载平台模块化设计

光伏材料转运车的承载平台主要用于光伏板和配套架设材料的装载。光伏板的箱体尺寸为2.5 m×1.4 m×2.0 m，重0.8 t；架设材料则成捆转运，其最大长度为8 m，重2.5t。由于光伏材料转运车本身的装载质量为3.0 t，故每趟能够转运三箱光伏板或者一捆架设材料，此外光伏材料转运车具有很强的爬坡能力，能够克服险峻地势，故对承载平台的设计提出了稳定性、安全性与经济性的要求。为了使承载平台兼顾装卸货物时的便捷性和模块切换的经济性，在承载平台外部结构及尺寸不变的情况下通过其内部结构的模块化设计实现平台的多功能运输。

2.1 转运光伏板的承载平台结构

考虑到每次转运的光伏板为三箱，结合光伏板和平台的相关尺寸，采用如图1所示的承载布置。光伏板材料具有易碎的特性，在转运过程中不能发生磕碰、损耗。因此当自动装卸吊机将一箱光伏板装入承载平台时，需要插入相应的固定模块与减震保护模块，再进行下一箱光伏板的装载，在光伏材料转运车到达目的地后，也要分步进行光伏板的卸载。

如图1所示，每箱光伏板之间有减震隔板，在转运过程中可以减缓碰撞、吸收能量。此外，在装载光伏板之前，承载平台的底部需要铺设一层箱底固定缓冲材料防止光伏板滑动与跳动。在转运光伏板时，只需要在装载时将缓冲隔板插入对应侧板的槽钢中。在转运过程中，经常会因路况恶劣而发生晃动，而承载平台底部的缓冲材料能够吸收车辆跳动产生的能量，配合光伏板箱体之间的减震隔板，可有效防止光伏板之间发生磕碰，避免光伏板的损耗。

2.2 转运架设材料的承载平台结构

由于光伏材料转运车装载质量的限制，每次转运架设材料的数量为一捆，长度为8 m。但是整车长度不足8 m，故在转运架设材料时需要超出承载平台长度。在设计承载平台时应保证架设材料不发生滑动或滚动。同时应设计保护机构，防止车辆上、下坡时材料掉落。此外，架设材料质量较重，故在转运时应尽量靠近整车质量中心，加装侧向防滑板块，防止转运途中车辆失衡。转运架设材料时的简易模型如图2所示。

如图4所示，图上所圈之处增加了后板固定模块（常规情况下收缩至承载平台底部），在转运架设材料时，尾板可拆卸，并伸出后板固定模块。在装载架设材料时，先将对应的基础模块安装，再由自动装卸装置装载，最后安装转运过程中的保护模块。确保架设材料在转运过程中固定承载，避免因为路面不平而发生侧滑，提高了整车抗倾覆能力。

由于光伏板和架设材料的转运要求不同，所用到的承载平台模块也有区别。故在转运完光伏材料之后，可将减震隔板从侧板槽钢中拔出，并伸出前固定板，在装载完架设材料之后，伸出后固定侧板，并使用辅助固定绑带将架设材料固定，即可转运架设材料。反之，若是转运完架设材料后，只需将前后侧板收回，便可装载光伏板及相关减震隔板。两模块切换操作简便，工作可靠，省时省力，可大幅提高转运效率。

3 工作原理

3.1 承載平台主要参数如表1所示

3.2 主要结构

光伏材料转运车的承载平台主要由承载底板、长侧板、短侧板、前后挡板、自动装卸电动起吊机、减震隔板材料（用于转运光伏板）、固定支架（用于转运架设材料）及部分警示部件组成。

承载平台与车架的连接方式采用一体化连接，与货柜式商用车车厢与车架的连接有一定的共性，但又有别于常规的商用车，承载平台的内部模块需要因转运的材料不同而运用相对应的模块以保证转运途中光伏材料的完整性、运输环境的稳定性以及运输过程中的安全性，并需要做到可运输不同材料。

3.3 主要特性

光伏材料转运车及其承载平台的设计符合GB 1589-2016《汽车、挂车及汽车列车外廓尺寸、 轴荷及质量限值》的规定，并在此基础上进行相关结构强化、轻量化等优化设计，在满足基本转运要求的同时提升转运效率。承载平台可分为车厢总成、自动装卸总成、转运辅助保障总成。

（1）车厢总成根据光伏材料的物理特性以及驾驶室布置进行定制化设计，有别于常规货物运输车厢。合理利用空间布局，保证转运过程的经济性与安全性。

（2）自动装卸总成主要由电动起吊机，滑动轨道等组成。

（3）转运辅助保障总成主要由各模块固定板、安全警示部件以及液压水平支腿组成。光伏材料需要装卸时，液压支腿张开使光伏材料转运车水平，确保装卸的平稳。安全警示部件装有相应的提示灯以及蜂鸣装置，确保作业安全。

4 分析与讨论

4.1 光伏板承载平台静力学分析

本文基于ANSYS-Workbench对两种承载平台的结构进行了有限元分析。对于光伏板承载平台的结构静力学分析，将承载平台的各边板设置成结构钢材料，将隔板设置成缓冲板材料参数，导入简易模型后，隐藏光伏板。采用正六面体单元进行网格划分，架设材料模块承载平台同理。将承载平台的底部添加固定约束。Z轴方向的载荷施加在如图5所示的承载平台底板上。同时考虑最大爬坡度的极限工况，设置Y轴方向的力，施加在三块隔板上。其中，Z轴方向的载荷为24000N；Y轴方向的载荷为每个隔板8000N。在最大爬坡工况下的应力云图及总变形云图如图3-5所示。

由图3的变形云图可知，在最大爬坡度的极限工况下，隔板的最大变形在隔板顶部的中间位置，最大变形量为0.010308mm。在实际的转运过程中，其顶端位于光伏板箱体与隔板接触面的中心位置，后续优化思路便可以从隔板高度入手。承载平台的底板强度足够，但边板由于受到隔板变形的影响，也相对发生一定变形，但考虑到边板槽钢（即插入隔板的凹槽）有一定的结构强度，其变形可忽略不计。

图4为光伏板承载平台的等效弹性应变，最大等效弹性应变发生在隔板与承载平台底板接触处。考虑到实际运输中存在跳动震动，以及隔板与承载平台底板非强制性接触，且隔板自身存在一定重量，在后续的优化结构中，可以在承载平台底板添加浅凹槽，当隔板装入承载平台时，可通过插入凹槽加强隔板的固定关系，可以减少等效弹性形变。

图5为光伏板承载平台模块在转运时的等效应力。其最大等效应力发生在隔板的最底侧，吸收能量、减少碰撞力是隔板的固有属性以及保证转运完整安全的基本要求，所以最大等效应力是在隔板选材时必须考虑的因素。为保证极端环境下转运工况的正常运行，隔板结构的疲劳寿命也是在实际转运中必须要考虑的问题。

4.2 架设材料承载平台静力学分析

关于架设材料承载平台模块的结构强度分析，主要是前侧板与后板固定模块（图6中省略了后板固定模块，即收缩状态）的强度。材料设置与边板属性一致，并与上文所述一样，将架设材料隐藏，使用对应的力代替。固定约束在承载平台的最底侧以及光伏材料转运车行驶方向的边板两侧，对于承载平台，施加如图中Z轴反方向的力25000N（即-25000N），同样考虑最极端情况，对前侧板施加Y轴方向的力25000N。求解结果如图6所示（总变形：mm）。

云图结果显示最大变形处发生在前侧板处，约为1.45mm，对此应该加强前侧板的结构强度，在后板固定的设计也需要考虑同类问题，即便是收缩结构也不能减少相应的强度。架设材料其本身也是高强度材料，且长度较长，质量较大，所以在装载时需要保证固定模块对其在转运过程中的约束。

架设材料承载平台的等效弹性形变求解如图7所示。其最大等效弹性形变发生在前侧板的上下边以及中间处，在后续的优化中需要考虑在前侧板添加相应的加强结构，避免其等效弹性形变影响其总变形量。

架设材料承载平台的等效应力求解结果如图8所示。其最大等效应力与等效弹性形变发生的位置相似，且在前侧板的两侧边更为明显。但是承载平台的两边板可打开，故在收合时，两边板与前侧板的固定部件需要提高强度，使轉运过程中承载平台各板的牢固，减少对前侧板以及后板固定模块的撞击变形。在实际转运过程中，完成了架设材料的装载后，需要使用绳索配合该模块中相应的辅助固定板，防止架设材料在转运时发生滑动、跳动以及偏离整车质心，既要保证转运的平稳性与安全性，又要延长承载平台各板材的使用寿命，避免不必要的维护开支，提高转运经济性。

5 结语

在光伏材料转运车承载平台的模块化设计中，参考了某些特种作业车的承载车箱结构以及工作原理，并根据光伏材料的相关特性，结合实际工况设计，建模，改进优化。通过建模与强度分析，验证了光伏材料转运车承载平台的结构符合实际工程要求。同时模块化及隔振设计可解决光伏板转运途中易碎问题，并实现承载平台多功能的用途。此外，该承载平台也适用于转运与光伏板具有相似特征的易碎材料，其架设材料转运承载平台也可用于转运对货物保护要求不高但长度尺寸较大的材料。

湖南省大学生创新创业训练项目（No.2022X10555003）；衡阳市科技创新重大项目（202150013986）。

参考文献：

[1]李悦怡. 基于模块化的车厢可卸式垃圾车快速设计系统的开发[D].河北工业大学，2017.

[2]汪松年，李永香，杜遥.可扩展式车厢的结构设计与选型[J].移动电源与车辆，2020，No.201（03）：32-36.

[3]王剑波，杨旭.易装卸式城市电动物流车厢设计[J].汽车实用技术，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）.