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所在地區(qū):山東德州市

聯(lián)系人:蔡先生 (經(jīng)理)

技術(shù)文章

槽式太陽能聚光器支架結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計

閱讀:622發(fā)布時間:2016-9-29

摘要

   聚光器組由反射鏡、支架結(jié)構(gòu)、跟蹤驅(qū)動系統(tǒng)等部分組成,其中聚光器支架結(jié)構(gòu)是整個太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的主要承載部件,它起到連接、支撐各部件的作用,同時也承受著傳給它的各種力與力矩,必須有足夠的強度和剛度以保證結(jié)構(gòu)的可靠性和壽命。此外,支架的重量要盡量減輕,以減輕整體的重量,從而降低成本。鑒于此,本文在聚光器的支架結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中引入拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計,以便設(shè)計出合理的支架結(jié)構(gòu),主要取得了如下研究成果和結(jié)論:

   首先,介紹了幾種典型的聚光器支架結(jié)構(gòu),分析各自的結(jié)構(gòu)特點,并選擇其中一種作為本文研究的基礎(chǔ)模型,然后對這個結(jié)構(gòu)進行了靜態(tài)分析,其結(jié)果作為優(yōu)化后的性能對比做準(zhǔn)備。

   其次,利用HyperWorks的優(yōu)化模塊,以結(jié)構(gòu)的柔度zui小為目標(biāo),優(yōu)化后的體積為約束,建立了基于變密度法的聚光器支架拓?fù)鋬?yōu)化的數(shù)學(xué)模型,經(jīng)過多次拓?fù)鋬?yōu)化計算,得到了一些重要的結(jié)論。在此基礎(chǔ)上根據(jù)可制造化處理原則結(jié)合制造工藝要求對優(yōu)化結(jié)果進行了可制造化處理,并得到了一個新的支架結(jié)構(gòu)。

   zui后,對可制造化處理后的新結(jié)構(gòu)進行了有限元分析,其強度和剛度都得到了提高,隨后對支架的截面尺寸又進行了優(yōu)化,取得了較好的輕量化效果,從而進一步說明了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計的準(zhǔn)確性、可靠性及現(xiàn)實意義。

   本文的研究成果不僅可以為企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計、優(yōu)化和改造提供實際的參考和指導(dǎo),解決企業(yè)的實際問題,更重要的是說明了如何利用拓?fù)鋬?yōu)化方法對典型的聚光器支架進行輕量化設(shè)計,同時對其他產(chǎn)品輕量化設(shè)計提供了有價值的參考,具有良好的經(jīng)濟價值和社會效益。

  關(guān)鍵詞:槽式太陽能,聚光器,拓?fù)鋬?yōu)化,有限元分析

一、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的發(fā)展及現(xiàn)狀

  現(xiàn)代設(shè)計方法是隨著計算機的廣泛使用而發(fā)展起來的一門新學(xué)科。在工程設(shè)計中,使設(shè)計效果達(dá)到,或使設(shè)計*化是設(shè)計師一直追求的目標(biāo)。目前優(yōu)化方法在很多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用,例如國防、機械、建筑、電子、交通、冶金、石油、造船、化工及管理等設(shè)計領(lǐng)域,而且也取得了比較顯著的經(jīng)濟、技術(shù)效果。從數(shù)學(xué)上將,所謂優(yōu)化常指函數(shù)的極大值或極小值,對于結(jié)構(gòu)優(yōu)化而言,是指在滿足約束條件情況下,按一定的評價指標(biāo)尋求設(shè)計方案,評價指標(biāo)可以是結(jié)構(gòu)的重量、造價等。

二、聚光器支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的確定

  以圖3.2c)為基礎(chǔ)模型進行研究,反射鏡的拋物線方程為開口距離為2.5m,焦距為0.85m,每個聚光器單元長度為4.3m,共6片聚光鏡。每組鏡子由6塊鏡子通過連接支架連接到扭矩管上,連接到采用弧形板,其截面尺寸為30mm*30mm*3mm,扭矩管直徑為133mm,實體模型如圖3.3所示。

         

          

 

1、總體優(yōu)化方案的確定

  制定總體優(yōu)化方案之前,首先要確定優(yōu)化方法。優(yōu)化方法有尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化三大類。拓?fù)鋬?yōu)化具有尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化所不具有的特性,應(yīng)用于輕量化方面的優(yōu)化潛力遠(yuǎn)大于尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化,所以本文選定拓?fù)鋬?yōu)化方法來對聚光器結(jié)構(gòu)進行輕量化設(shè)計。

   在選定了優(yōu)化方法之后,就要確定優(yōu)化設(shè)計的研究對象,進而建立拓?fù)鋬?yōu)化模型,但在建立拓?fù)鋬?yōu)化模型前需要先確定鏡子和支架的連接位置,鏡子支撐位置不同,結(jié)構(gòu)的受力分布就不同,對優(yōu)化結(jié)果會產(chǎn)生重要的影響,為了使優(yōu)化結(jié)果可靠,需要先優(yōu)化鏡子支點的位置。拓?fù)鋬?yōu)化模型建立后,通過拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計得到拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果,然后需要根據(jù)一定的原則對優(yōu)化結(jié)果進行可制造化處理,隨后再進行尺寸優(yōu)化,從而得到新的支架結(jié)構(gòu),并分析優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)的剛度、強度,評價其優(yōu)化結(jié)果的優(yōu)劣。

2、拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型的建立

   本文選用變密度法進行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計,優(yōu)化空間個單元的相對密度為設(shè)計變量,優(yōu)化后的體積作為約束條件,且要求體積分?jǐn)?shù)小于0.3(體積分?jǐn)?shù)=(當(dāng)前迭代的總體積-非設(shè)計域體積)/初始設(shè)計體積)。為了使聚光器支架具有較大的剛度(即反射鏡變形較?。?,選擇聚光器結(jié)構(gòu)的柔度為目標(biāo)函數(shù),優(yōu)化目標(biāo)為支架的柔度zui小,即支架的剛度zui大,則聚光器支架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的數(shù)學(xué)模型為:

 

         

 

 其中,Xii=1,2...,n)為設(shè)計變量(這里為每個微單元的相對密度);C為結(jié)構(gòu)的柔度;F為載荷矢量;U為位移矢量;K為剩余材料的百分比;V1為優(yōu)化后剩余材料的總體積;V0為設(shè)計區(qū)域的體積;K為剛度矩陣。

1、聚光器的風(fēng)載荷分析及優(yōu)化工況的選擇

  3.1本文為了真實反映聚光器所受到的風(fēng)載荷情況,通過計算流體力學(xué)理論建立計算模型,對太陽能聚光器在不同角度、不同風(fēng)速下的風(fēng)載荷進行計算,這樣得到的計算風(fēng)載荷值可以到每一個所劃分的小區(qū)域中,然后再將計算出來的風(fēng)載荷值通過有限元軟件施加到聚光器的相應(yīng)位置,從而可以模擬相對準(zhǔn)確的計算模型。

  3.2首先要對基礎(chǔ)模型圖3.3進行有限元建模,本文中聚光器支架主要采用兩種材料,反射鏡的材料為LISG,其他的都定義為鋼材,主要是Q235鋼,由于進行優(yōu)化時材料基本為彈性變形,所以只需要在軟件中定義材料的彈性模量、泊松比和密度即可。

2、聚光器支架結(jié)構(gòu)三維拓?fù)鋬?yōu)化

  4.1有限元網(wǎng)格的劃分

  劃分網(wǎng)格時如何確定單元的大小尺寸相當(dāng)重要。一般的原則是:在滿足網(wǎng)格質(zhì)量和計算精度的情況下,盡量選用較大尺寸的單元,從而減少單元數(shù)目,降低計算規(guī)模,提高計算速度。單元的形狀對網(wǎng)格質(zhì)量和計算精度也有較大的影響,對板殼單元來說,矩形單元的計算精度較高但它的適應(yīng)性不好,在一些細(xì)微的腳骨方面如果用矩形單元質(zhì)量就很難保證,而三角形單元雖然計算精度不如矩形單元,但三角形單元的適應(yīng)性好,一般復(fù)雜的結(jié)構(gòu)都是采用矩形單元和三角形單元結(jié)合來進行網(wǎng)格劃分。

  4.2載荷的處理及優(yōu)化參數(shù)的設(shè)置

  在本文中,目標(biāo)函數(shù)為一個單值目標(biāo)函數(shù),要求結(jié)構(gòu)的柔順度zui小,約束條件為體積百分比小于0.3.還需要設(shè)置優(yōu)化迭代中止的條件,也就是設(shè)置目標(biāo)容差,迭代過程中只要連續(xù)兩次計算的優(yōu)化目標(biāo)值相差的值不超過目標(biāo)容差時即可中止迭代。

 4.3拓?fù)鋬?yōu)化計算機結(jié)果分析

  HyperMesh中設(shè)置好拓?fù)鋬?yōu)化參數(shù)之后,需要提交到Optistruct模塊中才能進行拓?fù)鋬?yōu)化計算。拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)束后,首先要分析拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果,如果拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果是合理的,就要對拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果進行可制造化處理。如果拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果不合理,就需要重新確定優(yōu)化區(qū)域改變優(yōu)化參數(shù)進一步優(yōu)化。

三、結(jié)論

 首先建立了拓?fù)鋬?yōu)化的數(shù)學(xué)模型,確定設(shè)計變量,約束條件和目標(biāo)函數(shù)。然后對聚光器的優(yōu)化空間進行了集合模型,其中包括反射鏡支點位置的優(yōu)化和設(shè)計空間。接著又討論了聚光器的載荷(風(fēng)載荷),通過對基礎(chǔ)模型的有限元分析,確定了聚光器所處的zui不利位置,并把此位置作為優(yōu)化工況。zui后重點對模型進行了三維拓?fù)鋬?yōu)化,主要包括:有限元網(wǎng)格的劃分,載荷的處理及優(yōu)化參數(shù)的設(shè)置,拓?fù)鋬?yōu)化計算機結(jié)果的分析討論。


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