Розрахунок каркасу сонячної панелі

Сонячні панелі відомі як засіб отримання електроенергії екологічно чистим шляхом. Ці конструкції набули широкого визнання у світі і їхня популярність щороку зростає. Це не дивно, адже сонячна панель не лише дозволяє нам стати енергонезалежними, а й навіть перетворитися на реалізаторів. Та це не єдина перевага.

На шляху до енергонезалежності

Подібні технології стають у пригоді в умовах різноманітних катаклізмів, стихійних явищ, небезпечних інцидентів. В тому числі, під час війни. Наприклад, українці стикнулися з цим в масштабах усієї країни, коли російські ракети зруйнували частину об’єктів критичної інфраструктури і в країні почалися масові вимкнення світла — так звані “блекаути”. В цих умовах питання стабільного забезпечення оселі світлом постало чи не в кожній українській родині.

Привіт! Мене звати Сара, я інженерка Дистлаб, що створена штучним інтелектом. Як ви здогадалися, сьогодні ми говоримо про сонячні панелі, а точніше про конструкції, які їх тримають. Хочу представити вашій увазі цифрове рішення, яке Дистлаб розробили для архітекторів, інженерів та інших фахівців, хто стикається з проєктуванням опорного каркасу під сонячні панелі. Цей матеріал є корисним також й для студентів, які прагнуть опанувати розрахунок подібних систем у вишах.

Звіт з розрахунками опорної конструкції

Отже, перед вами типовий документ TechEditor - звіт. Зовні він виглядає як традиційний текстовий документ, але є особливість: абсолютно усі обчислення виконуються безпосередньо в самому документі. Розглянемо, як це працює.

Першим є титульний лист. Тут нічого особливого, йдемо далі. Текст вступу ми також пропустимо. Вхідні дані є важливим розділом, адже ця інформація впливає на усі подальші обчислення. Зверніть увагу, що в TechEditor ми використовуємо одиниці вимірювання поруч з числовим значенням - так, як це прийнято в фізиці. Самі одиниці можуть бути будь-якими; TechEditor розуміє практично усі відомі одиниці та навіть бере на себе їхні перетворення.

Блок “Аналітичні формули” створено для подальшого багаторазового використання. Він містить функції, які на основі вхідних параметрів обчислюють геометричні характеристики прямокутного перерізу з отвором. Отже тут ми закладаємо, що працюємо з прямокутною трубою.

Далі показана схема самої конструкції. Вона є доволі традиційною: сонячна панель укладається на поперечні балки, які кріпляться до опорної рами. Стійки рами жорстко замонолічені в бетонну основу. Розміри конструкції задано параметрично, щоб мати змогу швидко їх змінити. Окремо обчислено кут нахилу панелі до горизонту — надалі він неодноразово використовуватиметься у розрахунках.

Перевірки поперечної балки

Перший розділ звіту присвячено перевіркам міцності поперечної балки. Окрім власної ваги, розглянуто три випадки навантаження: снігове, вітрове та вітрове з ожеледдю. Кожне навантаження обчислене в окремому параграфі.

Навантаження визначаються за нормами проєктування України. Ми не будемо детально розглядати ці методики, адже всі вони є у відповідних стандартах. Додаючи до постійного навантаження кожен тимчасовий вплив, маємо три граничні розрахункові значення. Найбільше з цих трьох значень обирається автоматично. Завершує розділ перевірка міцності балки за згинальним моментом та поперечною силою. Як правило, така перевірка є безрозмірним співвідношенням, яке порівнюється з одиницею. Чисельник дробу містить фактор від навантаження (силу, момент, деформацію чи щось інше), а знаменник — тримальну здатність перерізу, тієї ж розмірності. Така форма перевірки вважається загальноприйнятою та застосовується у більшості країн світу. Переконуємося, що міцність нашої поперечної балки забезпечена (співвідношення менше одиниці) і йдемо далі.

Перевірка елементів опорної рами

Другий розділ звіту присвячено розрахунку опорної рами. Поперечна балка, про яку йшлося вище, сприймає вищезазначені навантаження і передає їх на ригель рами у вигляді концентрованих зусиль. Ці зусилля є опорними реакціями, які виникають в місцях кріплення поперечної балки до ригелю.

Окрім ригелю, рама також містить дві стійки та перемичку. Для розрахунку такої системи використаємо метод скінченних елементів. TechEditor не є класичною CAE-програмою, проте містить модулі для обчислення параметрів напружено-деформованого стану стержневих конструкцій. Це такий собі полегшений скінченно-елементний рушій, який дозволяє отримати переміщення або внутрішні зусилля у довільній балковій або стержневій моделі. Модель може бути пласкою або просторовою і в загальному випадку ураховувати згин елементів у двох площинах, розтяг та стиск, а також кручення.

Традиційно, розробка скінченно-елементної моделі починається з введення вузлів. Координати вузлів призначаємо параметрично, щоб TechEditor автоматично адаптував геометрію сітки. Спеціальна команда “fem-reset” очищує попередні дані та готує рушій до роботи.

Вузли додаються командою “fem-node”. В якості аргументів передаються три координати (x, y, z), які визначають просторове положення вузла в глобальній системі координат. Не забуваємо про опори: два вузли у нас жорстко закріплені, то ж позначимо це одиницею у напрямку кожного можливого переміщення вузла. Тут перші три аргументи відповідають лінійним переміщенням вузла (x, y, z), а три останні - кутам повороту навколо осей (x, y, z). Як ви здогадалися, за базовими налаштунками вузол вважається вільним, тобто неявно його граничні умови мають нулі.

Наступним кроком з’єднуємо вузли стержневими елементами, у відповідності до топології нашої конструкції. В команду “fem-beam” спочатку передаються два параметри - номери вузлів, а потім шість аргументів: модуль пружності матеріалу, модуль зсуву, площа перерізу та три моменти інерції. Координати, геометричні характеристики, властивості матеріалу та інші параметри ви можете передавати в рушій у зручних для вас одиницях. Безпосередньо аналіз програма виконує в системі СІ.

Наступним кроком формуємо навантаження. Кожен елемент має власну вагу, що моделюється відповідним рівномірно розподіленим навантаженням. В команді “fem-ud-load” першим параметром вказується номер елемента, а шість наступних аргументів відповідають за інтенсивність розподілених сил та моментів. Додатково, рама навантажується зосередженими силами від впливів, про які йшлося раніше.

Старт аналізу ініціюється командою “fem-calc”. Результатом розрахунку є вузлові переміщення та зусилля в елементах конструкції. Зводимо ці дані у відповідні таблиці.

Обчислені зусилля лягають в основу перевірок. Згідно норм проєктування, усі розтягнені та стиснені елементи мають бути перевірені на міцність, а стиснені — ще й на стійкість. Ці перевірки схожі за формою, але друга перевірка містить окремий коефіцієнт (коефіцієнт стійкості). Результати цих перевірок також зводимо до таблиці.

Елементи, що зазнають згину, перевіряємо за тією ж схемою що й для поперечної балки. Результати повторно зводимо до таблиці. Завершальним етапом перевіряємо міцність зварних швів. Переконуємось, що міцність найбільш навантаженого кутового шва забезпечена.

Завантажити приклад

Сподіваюся, ця інформація виявилася для вас корисною. Звісно, даний звіт не є еталоном. Його можна розвивати й покращувати далі: виконати додаткові перевірки, оптимізувати статичну схему, зменшити витрати матеріалу, тощо. Проте основною метою його створення є демонстрація творчого автоматизованого проєктування і розробка високоякісної технічної документації. І ми в Дистлаб переконані, що ця мета досягнута.

Нагадаю, що цей звіт та інші цифрові рішення доступні вам в онлайн-хабі Dystlab Store. Ви можете працювати з ним напряму або в якості шаблону для своїх поточних проєктів.

Використовуйте TechEditor у навчанні та професійній діяльності!
Підтримуйте українське та бережіть себе.
Хай щастить!