基于渐进结构优化法的碟式聚光器轻量化研究

发布时间：2021-10-14 14:59

　　采用多层次的优化策略,提出一种碟式太阳能聚光器桁架结构的优化设计方法。首先,基于渐进结构优化方法（ESO）建立聚光器机架的拓扑优化模型,针对拓扑优化中的棋盘格问题给出一种过滤消除方法。其次,根据机架结构的拓扑优化结果,提出一种桁架拓扑结构的特征线提取方法,将拓扑优化结果转换为可供截面优化的线单元。最后,对聚光器中桁架结构的截面尺寸进行优化。以38 kW碟式-斯特林太阳能发电系统为例,面向工程制造桁架结构开展轻量化优化设计。结果表明,自重下单件新型桁架和原有桁架的最大变形相同时,重量减轻了34.4%,优化策略为面向工程制造的桁架结构设计提供了新思路。 

【文章来源】：太阳能学报. 2020,41(04)北大核心EICSCD

【文章页数】：8 页

【部分图文】：

38 kW碟式-斯特林太阳能热发电系统

38 kW太阳能发电系统聚光器的抛物曲面采光口半径R=8850 mm，焦半径f=9490 mm。大型太阳能碟式聚光器在设计时通常会采用较大的经验安全系数，其整体支撑结构依然存在着较大的富余，因此有较大的减重空间。由于高度-方位角视日跟踪需要避免聚光器俯仰运动时聚光器与支撑立柱发生机械干涉，聚光器下方的扇形区域内立柱处需要开出一个30°缺角，如图2所示。基于38 kW碟式太阳能系统大功率特性及碟式太阳能整机结构的复杂性，将在承载和传力特性一致的基础对其进行简化并建立聚光器拓扑优化模型，本文中选定的单块桁架结构拓扑优化初始区域如图3所示。

根据整机的载荷传递分析可知[2]，碟式机架主要承受桁架自身重量，且机架结构在90°高度角时（聚光器焦轴指向天空）承载性能不甚影响，因此在本文的研究中假设桁架只承受自身的重量且以90°高度角为典型工况对其进行分析研究。湘潭地区常年风压较小，风载荷较低，大风情况下会停机避险，因此在本文的分析中不考虑风载荷对系统的影响以简化优化模型。结合连续体拓扑优化的经验，考虑到结构自身特殊的30°缺角，建立碟式太阳能整体机架结构拓扑优化模型如图4所示。图4 碟式聚光器拓扑优化模型

【参考文献】：
期刊论文
[1]太阳能聚光器镜面单元的支撑-调节结构和位姿校准[J]. 颜健,彭佑多,程自然,谭新华.  光学学报. 2017(05)
[2]基于APDL的碟式太阳能聚光器网架模态分析与结构优化[J]. 王林军,许立晓,张东,邓煜,陈艳娟,吕耀平.  中国农机化学报. 2016(08)
[3]碟式聚光器镜面单元聚焦光斑与位姿误差的关联特性[J]. 颜健,彭佑多,程自然,彭黎,谭新华.  光学学报. 2016(11)
[4]碟式太阳能光热发电系统机架结构风振响应的时域分析[J]. 颜健,彭佑多,易陈斐.  振动与冲击. 2016(07)
[5]碟式太阳能光热系统光-机-热多场耦合建模及其聚光性能预测应用[J]. 颜健,彭佑多,余佳焕,王旻晖.  机械工程学报. 2015(14)
[6]大型碟式太阳能钢构机架平均风荷载及绕流特性研究[J]. 颜健,彭佑多,龙东平,何轶,马俊.  振动与冲击. 2014(24)
[7]太阳能热发电技术产业发展现状与展望[J]. 杜凤丽,原郭丰,常春,卢智恒.  储能科学与技术. 2013(06)
[8]槽式太阳能聚光器支架结构的拓扑优化设计[J]. 孔祥兵,陈小安,吴国洋,合烨.  现代制造工程. 2013(02)
[9]有支撑钢框架离散型拓扑优化设计[J]. 黄冀卓,王湛.  建筑结构学报. 2011(03)
[10]太阳能热发电系统基础理论与关键技术战略研究[J]. 纪军,何雅玲.  中国科学基金. 2009(06)

硕士论文
[1]渐进结构优化法的实现及其在泵车轻量化中的应用[D]. 王敏捷.湘潭大学 2011



本文编号：3436392