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

陳得貴

摘 要：太陽(yáng)能的結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，一般都有幾個(gè)比較重要的部分組成，但是槽式太陽(yáng)能的聚光器的支架結(jié)構(gòu)是主要的組成部分。本文根據(jù)其拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的分析研究，不斷的改善，進(jìn)行不斷的優(yōu)化，從而提高太陽(yáng)能的各方面性能。

關(guān)鍵詞：槽式太陽(yáng)能；聚光器；拓?fù)鋬?yōu)化；有限元

1.拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計(jì)理論

1.1拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計(jì)的基本要求

在滿(mǎn)足硬度等一系列條件的情況下，在給定的設(shè)計(jì)空間里，開(kāi)鑿，挖洞，把不需要的東西全部去掉。找到更好的結(jié)構(gòu)方式，讓產(chǎn)品在要求中獲得最成功的樣子。拓?fù)鋬?yōu)化具有其他優(yōu)化方式無(wú)法具有的優(yōu)點(diǎn)，比如可以對(duì)基本結(jié)構(gòu)的布局進(jìn)行修改，模擬出概念性設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)方案給設(shè)計(jì)者，使設(shè)計(jì)更具備實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性，在優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的過(guò)程中，設(shè)計(jì)者甚至不用去管拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形態(tài)，僅需提出設(shè)計(jì)范圍，就可以尋找出最佳的結(jié)構(gòu)分布狀態(tài)，設(shè)計(jì)人員通過(guò)了解整個(gè)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，然后針對(duì)一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)方式最終要達(dá)到的目的是在滿(mǎn)足一系列要求的情況下，使結(jié)構(gòu)的性能達(dá)到接近理想的狀態(tài)。

1.2結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的原理和方法

就目前來(lái)說(shuō)，連續(xù)體結(jié)構(gòu)是拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的主流對(duì)象。這種方式的優(yōu)化需要化整為零，把整體分成若干個(gè)小部分，然后根據(jù)所提出的基本要求和要達(dá)到的條件對(duì)這若干個(gè)小部分進(jìn)行擇優(yōu)選擇，形成猶如蜂窩一樣的連續(xù)體，最終獲得連續(xù)體的最優(yōu)設(shè)計(jì)，目前這種優(yōu)化方式比較適用的方法有，漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，均勻化方法以及變密度方法。

1.2.1漸進(jìn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法

具體操作比較簡(jiǎn)單，那就是對(duì)各種材料精挑細(xì)選，剔除糟粕，剩余的結(jié)構(gòu)也就趨向于標(biāo)準(zhǔn)了。在這種優(yōu)化迭代的計(jì)算方法中，用零來(lái)表示不存在的單元材料。同理，存在的單元材料用一進(jìn)行表示，這種算法可以用有限元法，在計(jì)算機(jī)上通過(guò)迭代過(guò)程實(shí)現(xiàn)。這種算法應(yīng)用范圍廣，而且結(jié)構(gòu)的單元數(shù)規(guī)模相當(dāng)巨大。

1.2.2均勻優(yōu)化方法的應(yīng)用

均勻優(yōu)化的方法比較理論化，要用切實(shí)可行的方法應(yīng)用在學(xué)科中，把細(xì)小的東西加入到應(yīng)用結(jié)構(gòu)的材料中，其中改變的是微小結(jié)構(gòu)單胞大小，整體的材料密度和彈性由局部材料的大小和方式?jīng)Q定，單胞大小的整改可以對(duì)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變，如此便擴(kuò)大了涉及范圍，從而對(duì)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化成功。

1.2.3變密度方法

變密度方法是比較常見(jiàn)的在拓?fù)湓O(shè)計(jì)連續(xù)體結(jié)構(gòu)所用的方法。是一種材料勾畫(huà)效果，通過(guò)分析材料物理和密度之間的聯(lián)系，不許進(jìn)行拓?fù)湓O(shè)計(jì)，只是考慮合理布置材料，將整體分成有限的單元后，然后看體積的要求，讓每一個(gè)小部分的密度盡量一樣，每個(gè)單位的密度是改變的，把結(jié)構(gòu)的平順柔軟度減小。

2.槽式聚光器支架介紹以及拓?fù)鋬?yōu)化的意義

槽式聚光器是一個(gè)接一個(gè)排列的，上面有一個(gè)個(gè)聚光鏡對(duì)太陽(yáng)光進(jìn)行聚焦，對(duì)集熱管進(jìn)行加熱，把里面的水加熱后形成水蒸氣，利用氣壓在催動(dòng)發(fā)電機(jī)工作。聚光器是由驅(qū)動(dòng)、傳感器、反射鏡、金屬支架、吸收管和控制器等組成的太陽(yáng)能聚熱裝置。而在整個(gè)聚光器的總體重量中，支架結(jié)構(gòu)占有很高的比重，重量既增加了成本又增加了系統(tǒng)的負(fù)重，而且支架的強(qiáng)度和剛度對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的強(qiáng)度和剛度都有影響，所以?xún)?yōu)化支架對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的好處是不言而喻的。因?yàn)橥負(fù)鋬?yōu)化對(duì)于輕量化的優(yōu)化能力相對(duì)于其他優(yōu)化方式更好，所以選用拓?fù)鋬?yōu)化對(duì)聚光器的支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化的優(yōu)化。

3.太陽(yáng)能聚光器支架拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法

在選定拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)為設(shè)計(jì)方法之后，就要確定支架和鏡子的連接位置，優(yōu)化結(jié)果的好壞取決于鏡子的支撐位置對(duì)結(jié)構(gòu)的受力狀況，所以確定了鏡子的位置之后就可以建立拓?fù)鋬?yōu)化的模型。總體的優(yōu)化流程可概括為：先選定拓?fù)鋬?yōu)化方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，然后選定優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)象，在對(duì)鏡子支點(diǎn)位置設(shè)計(jì)優(yōu)化，接著對(duì)反射鏡支架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，最后對(duì)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果可制造化進(jìn)行處理。

上文提到了各種拓?fù)鋬?yōu)化的方法，最普通不過(guò)的是變密度法，這種方法得到的部分密度是數(shù)字規(guī)則分布的，有助于最后解決可制造的問(wèn)題，所以，我們著重討論一下變密度法的優(yōu)化方式，借助合適的工具才能使用這個(gè)方法。可以用optistrtct進(jìn)行工作，然后用可以利用三維視圖的工具構(gòu)建空間，在過(guò)程中不斷地進(jìn)行修復(fù)和改善，力求沒(méi)有問(wèn)題、一次通過(guò)。接著，把優(yōu)化空間再進(jìn)行處理，最后做出這個(gè)模型。模型建立完成后，需要通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化計(jì)算，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析考證，看結(jié)果是否能合理地運(yùn)用且實(shí)際可行。如果結(jié)果合理，就能夠進(jìn)行下一項(xiàng)克制造化的處理，并且進(jìn)行有限元的分析，最終實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化；如果結(jié)果不合理，那么就要一切從新來(lái)過(guò)，直到結(jié)果合理為止。

聚光器的支架拓?fù)鋬?yōu)化的流程可以概括為：首先根據(jù)設(shè)計(jì)要求建立cad模型，然后建立pe模型，分析載荷和邊界條件，接著對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，對(duì)參數(shù)的定義進(jìn)行優(yōu)化，下面才進(jìn)入到拓?fù)鋬?yōu)化，再建立一個(gè)cad模型，并再次對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)果合理后結(jié)合工程實(shí)踐進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.結(jié)論

由此我們可以得出拓?fù)鋬?yōu)化的嚴(yán)謹(jǐn)性，安全性，可用性，以及對(duì)軟件技術(shù)的要求和對(duì)設(shè)計(jì)者的技術(shù)的要求，只有遵循這些要求，才能更好地進(jìn)行太陽(yáng)能聚光器支架結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1]孔祥兵. 槽式太陽(yáng)能聚光器支架結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)[D].重慶大學(xué)，2012.

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