一种光热吸热器预应力管束或管屏预起拱形状的设计方法与流程

本发明属于预应力设计技术领域，特别涉及到单侧受热光热吸热器预应力的设计，具体为一种光热吸热器预应力管束或管屏预起拱形状的设计方法。

背景技术：

单侧受热吸热器，特别是光热吸热器在最大能流密度照射下，管束或管屏向光侧和背光侧将产生较高的温度差。如果限制管束或管屏的侧向位移，将会产生很高的热应力。通过预应力方法，可以降低管束或管屏的最高应力，并可提高管屏或管束能够承受热流密度峰值的能力。首先将管束或管屏预先起拱弯曲，再热处理，最后装配形成预应力。如何针对光热吸热器的受热特点，快速计算出合理的管束或管屏的弯曲形状，是设计预应力的关键。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种光热吸热器等单侧受热预应力管束或管屏预起拱形状的设计方法，通过本发明设计方法可以快速准确地计算出合理的光热吸热器的管束或管屏弯曲预起拱形状。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

本发明所述设计方法主要通过两个阶段来实现：1、通过能流密度的输入计算管束或管屏在温度梯度作用下自由弯曲形状为初始弯曲形状；2、通过数值模拟方法对初始弯曲形状进行调整，即可最终确定弯曲起拱形状。具体实施方式为：

一种光热吸热器预应力管束或管屏预起拱形状的设计方法，包括以下步骤：

a、求解温度场

根据光热吸热器管壁实际的热流密度输入和介质流量，计算管束或管屏的温度场；

b、求解管束或管屏变形形状

将上述步骤a得到的温度场结果读入分析软件中，设置管束或管屏上下端的约束，中间不设置任何约束点，求解管束或管屏的变形形状；

c、求解不考虑能流输入时常温状态的应力σp

将上述步骤b得到的变形形状反向，得到与其变形形状对称相反的形状作为初始起拱形状曲线，选好管束或管屏的预应力支点，设置好上下端约束，并在预应力支点处施加往直管轴线位置的位移δ0，求解不考虑能流输入时常温状态的应力σp；

d、确定调整系数k

根据上述步骤c获得的常温状态的应力σp，求解调整系数k：

其中，c为强度调整系数；[σ]t为工作温度下的材料许用应力值；

e、确定管束或管屏预起拱曲线

将上述步骤3)得到的位移δ0乘以调整系数k得到的位移即为管束或管屏预起拱需要施加的实际位移δp＝kδ0；将步骤3)得到的初始起拱形状曲线乘以调整系数k即为本发明管束或管屏预起拱形状曲线。

作为本发明所述一种光热吸热器预应力管束或管屏预起拱形状的设计方法的一个具体实施例，步骤c中，所述预应力支点为两个，其与管束或管屏上下端的垂直距离为1/4l～1/3l，其中l为整个管束或管屏在轴向上投影的垂直长度。

作为本发明所述一种光热吸热器预应力管束或管屏预起拱形状的设计方法的一个具体实施例，步骤a中，所述温度场采用流体力学(cfd)分析软件进行计算。

作为本发明所述一种光热吸热器预应力管束或管屏预起拱形状的设计方法的一个具体实施例，步骤a中，所述介质为空气、水、水蒸气、导热油、液态金属、熔盐中的一种或几种。

作为本发明所述一种光热吸热器预应力管束或管屏预起拱形状的设计方法的一个具体实施例，步骤b中，所述分析软件为有限元(fea)结构分析软件。

作为本发明所述一种光热吸热器预应力管束或管屏预起拱形状的设计方法的一个具体实施例，步骤c中，所述初始起拱形状可以根据工艺制作的特点进行拟合，确定为大致形状。

作为本发明所述一种光热吸热器预应力管束或管屏预起拱形状的设计方法的一个具体实施例，步骤d中，所述c的取值范围为0.5＜c＜1，所述c的取值为0.9。

作为本发明所述一种光热吸热器预应力管束或管屏预起拱形状的设计方法的一个具体实施例，步骤e中，所述管束或管屏预起拱形状曲线可以根据工厂制造工艺，拟合为弯管或折线弯管。

作为本发明所述一种光热吸热器预应力管束或管屏预起拱形状的设计方法的一个具体实施例，步骤e中，管束或管屏预起拱形状曲线拟合成折线弯管的具体拟合过程为：

步骤c在得到预应力支点处施加往直管轴线位置的位移δ0的同时也可以得到管束或管屏中点距离直管轴线位置的垂直位移即中间位置的位移δc；

折线弯管中弯管的半径通过以下公式计算得到：

上式中：l为整个管束或管束在轴向上投影的垂直长度；l1为预应力支点与管束或管屏上下端之间的距离在其轴向上投影的垂直长度；δcp＝kδc；δp＝kδ0。

具体工厂制作过程中，折线长度及斜率根据位移δp以及l1来确定，最后以计算得到的弯管半径作圆弧，其与两侧折线交点之间所得的曲线即为拟合得到的弯管，弯管和两侧折线叠加拟合所得到的曲线即为本发明根据工厂制作工艺拟合所得到的折线弯管预起拱曲线。

作为本发明所述一种光热吸热器预应力管束或管屏预起拱形状的设计方法的一个具体实施例，包括以下步骤：

a、求解工作工况下管束温度场

根据光热吸热器管壁实际的热流密度输入和介质流量，通过流体力学(cfd)分析软件，计算工作工况下管束温度场；其中单根管束的质量流量为2.466kg/s，入口温度为290℃；

b、求解工作温度下管束自由变形形状

将步骤a中得到的温度导入有限元(fea)结构分析软件中，并设置管束的上下端约束，中间不设置任何约束点，求解得到的管束变形形状；

c、求解初始起拱形状下的预应力σp

将上述步骤b得到的变形形状反向，得到与其变形形状对称相反的形状作为初始起拱形状曲线；设置两个预应力支点，分别设置在与管束上下端垂直距离为1/4l～1/3l的位置，待预应力支点设置完成以后，设置好上下端点约束，并在预应力支点处施加往直管轴线位置的位移δ0＝2.33m；

利用有限元结构分析软件求解获得不考虑能流输入时常温状态σp＝280.37mpa；

d、确定调整系数k

根据上述步骤c获得σp，确定调整系数k；

k＝c×[σ]t/σp＝0.9×280/280.37＝0.899；

其中：c＝0.9；[σ]t＝280mpa；σp＝280.37mpa；

e确定管束或管屏预起拱曲线

将上述步骤c得到的位移δ0乘以调整系数k得到的位移即为管束或管屏预起拱需要施加的实际位移δp：

δp＝kδ0＝0.899×2.33m＝2.095

将步骤c得到的初始起拱形状曲线乘以调整系数k即为本发明管束或管屏预起拱形状曲线。

本发明具有以下有益效果：

通过本发明设计方法可以快速准确地设计出光热吸热器管束或管屏弯曲预起拱形状，按照本发明设计方法计算出的预起拱形状曲线对光热吸热器的管束或管屏施加预应力，可有效地提升光热吸热器管束或管屏承受最大热流密度的能力，从而使其既能满足常温强度要求，又能满足光照时吸热器在实际工作温度下的强度要求。

附图说明

图1为本发明一种光热吸热器预应力管束或管屏预起拱形状设计方法的流程示意图；

图2为示例1中步骤a模拟的不考虑管束起拱时的形状以及光照的能流密度图；

图3为示例1中步骤b根据上下端约束点求解得到的管束变形形状；

图4为示例1中步骤b根据管束变形形状反向对称后得到的初始起拱形状；

图5为示例1中步骤c预应力支点设置、预应力支点位移、中间位置位移分布图；

图6为示例1中经调整后的管束预起拱曲线与初始起拱形状曲线的对比；

图7为示例1中根据工厂制作工艺拟合为折线弯管预起拱曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合具体原理和计算过程对本发明光热吸热器预应力管束或管屏预起拱形状的设计方法进行详细说明。

本发明一种光热吸热器预应力管束或管屏预起拱形状的设计方法，其具体流程如图1所示，包括以下步骤：

步骤a求解温度场

根据光热吸热器管壁实际的热流密度输入和介质流量，计算管束或管屏的温度场。

步骤a求解温度场的目的是根据温度场的结果得到管束或管屏在实际工作时的变形形状。

具体地，根据光热吸热器管壁实际的热流密度输入和介质流量，通过流体力学(cfd)分析软件，计算管束或管屏的温度场；

进一步，所述流体力学(cfd)分析软件优选为fluent，cfx，star-cd，phoenics中的一种或几种，本领域技术人员可以根据具体的使用要求和情况对软件进行选择，只要是能够根据热流密度和介质流量计算得到温度场的软件均可，而具体利用软件的计算过程和使用方法对于本领域技术人员来说是常规和容易实现的，在此不做具体说明和限制。

进一步，所述介质为空气、水、水蒸气、导热油、液态金属、熔盐等，对于聚光太阳能发电系统，熔盐工质由于导热率适中比热大的特点，具有良好的稳定性，可以作为良好的高温导热介质和蓄热介质。更进一步，所述熔盐优选为nano3-kno3二元熔盐和nano2-kno3-nano3三元熔盐，每种成分的比重不同，直接影响熔盐的性能，应根据具体的使用需求进行选择。

在本步骤温度场的具体求解过程中，本领域技术人员可以根据实际的热流密度输入具体的介质种类，结合流体力学(cfd)分析软件对管束或管屏的温度场进行求解，其具体计算过程对于本领域技术人员是常规和容易实现的。

步骤b求解管束或管屏变形形状

将上述步骤a得到的温度场结果读入分析软件中，设置管束或管屏上下端的约束，中间不设置任何约束点，求解管束或管屏的变形形状。

步骤b求解管束或管屏变形形状的目的是根据步骤a得到的温度场结果，将其输入到具体的分析软件中，得到管束或管屏在实际工作时的变形形状。

具体地，将上述步骤a得到的温度场结果读入有限元(fea)结构分析软件中，设置管束或管屏上下端的约束，中间不设置任何约束点，求解管束或管屏的变形形状。

进一步，所述有限元(fea)结构分析软件优选为ansys，abaqus，hyperworks，nastran等其中的一种或几种。本领域技术人员可以根据具体的使用要求和情况对软件进行选择，只要是能够根据温度场的结果计算得到管束或管屏的变形形状的软件均可，而具体利用软件的计算过程和使用方法对于本领域技术人员来说是常规和容易实现的，在此不做具体说明和限制。

设置管束或管屏上下端的约束，中间不设置任何约束点的目的是求解仅在温度作用下管束的变形形状，将该变形经过反向调整后作为弯曲形状的初始形状。为了求解单纯的温度作用造成的弯曲变形，不能对管束有过多的约束，所以本发明优选为在管屏或管束的上下端设置约束而中间不设置任何约束点。常见的约束实现为(不局限于)：约束一端的三个方向的平动自由度，但不能限制其绕弯曲方向的转动自由度，另一端约束平动自由度，但是不能限制管束或管屏轴向方向自由度和其绕弯曲方向的转动自由度。本发明管束或管屏具体约束设置对于本领域人员来说是常规和容易实现的，按照常规约束操作即可。

步骤c求解不考虑能流输入时常温状态的应力σp

将上述步骤b得到的变形形状反向，得到与其变形形状对称相反的形状作为初始起拱形状曲线，选好管束或管屏的预应力支点，设置好上下端约束，并在预应力支点处施加往直管轴线位置的位移δ0，求解不考虑能流输入时常温状态的应力σp。

具体地，将上述步骤b得到的变形形状反向，得到与其变形形状对称相反的形状作为初始起拱形状曲线，并可根据工艺制作的特点进行拟合，确定为大致形状；然后选好管束或管屏的预应力支点，设置好上下端点约束，在预应力支点处施加沿向光面的位移δ0，求解不考虑能流输入时常温状态的应力σp。

具体地，根据工艺制作的特点进行拟合，确定为大致形状，其目的是为了使得到的初始起拱形状曲线能够满足生产工艺要求，本领域技术人员可以根据本发明步骤e的拟合方法将初始起拱形状曲线拟合成更便于生产实际要求的弯管或折线弯管，也可以根据本领域人员能够实现的拟合方式结合具体生产实际进行拟合，只要是能给实现满足生产工艺要求即可，在此不做具体限制。

进一步，所述预应力支点为两个，其与管束或管屏上下端的垂直距离为1/4l～1/3l，其中l为整个管束或管屏在轴向上投影的垂直长度；预应力支点与管屏上下端之间的距离也只是指其与端点在管束或管屏轴向投影的垂直长度。这样设置预应力支点的原因是：光照的能流密度呈现近似正态分布的特点，管束或管屏中段附近的温度最高，中段附近的弯矩最大，应力最高；在预应力结构中，支点回压会形成反向弯矩，抵消温度引起的弯矩，以降低应力。在1/3至1/4区域附近设置两个回压点，所形成的预应力弯矩为梯形，可以很好控制预应力弯矩的大小，更容易控制应力抵消的多少。

另外，本步骤中“设置好上下端点约束”具体怎样操作和步骤b中的“设置管束或管屏上下端的约束”具体操作类似，按照步骤b的实现方式进行操作即可。

本步骤中，不考虑能流输入时常温状态的应力σp采用有限元软件进行求解，其求解公式和求解过程对于本领域技术人员来说是常规和容易实现的，按照本发明上述相关介绍，并结合有限元分析软件以及求解公式，可以实现对不考虑能留输入时常温状态的应力σp的求解。

步骤d确定调整系数k

根据上述步骤c获得的常温状态的应力σp，求解调整系数k：

其中，c为强度调整系数；

[σ]t为工作温度下的材料许用应力值；

c为强度调整系数，具体为根据制造偏差、材料应力松弛以及蠕变造成的应力变化所考虑的安全系数的调整系数，其具体取值与制造工艺和材料本身特性相关，本领域技术人员在具体设定过程中可以根据制造工艺和材料本身所具有的特性进行设定，这对本领域技术人员来说是常规和容易实现的。进一步，所述c的取值范围为0.5＜c＜1；更进一步优选为0.9。

[σ]t为材料在工作温度下的许用应力值，通过查找材料标准即可获得。

步骤e确定管束或管屏预起拱曲线

将上述步骤c得到的位移δ0乘以调整系数k得到的位移即为管束或管屏预起拱需要施加的实际位移δp＝kδ0；将步骤c得到的初始起拱形状曲线乘以调整系数k即为本发明管束或管屏预起拱形状曲线。

进一步，所述管束或管屏预起拱形状曲线应根据工厂制造工艺，拟合为弯管或折线弯管。在光照下，管束或管屏的变形形状很复杂，与光照分布，内部介质流动状态，支点约束都相关，很难用一个曲线方程表示出来，只能近似拟合，为满足工厂制造，可以采用弯管或折管近似。实现方法是，提取有限元软件变形数据，在用数据处理软件拟合。也可截取1:1的有限元软件变形结果图，读入cad软件，画图近似拟合即可。

更进一步，根据工厂制作工艺，将本发明通过上述方法得到的预起拱曲线拟合为折线弯管作为最终预起拱曲线，具体拟合过程如下：

根据上述步骤c在得到预应力支点处施加沿向光面的位移δ0的同时也可以得到管束或管屏中点距离直管轴线位置的垂直位移即中间位置的位移δc；

折线弯管中弯管的半径通过以下公式计算得到：

上式中：l为整个管束或管束在轴向上投影的垂直长度；l1为预应力支点与管束或管屏上下端之间的距离在其轴向上投影的垂直长度；δcp＝kδc；δp＝kδ0。

具体工厂制作过程中，折线长度及斜率根据位移δp以及l1来确定，最后以计算得到的弯管半径作圆弧，其与两侧折线交点之间所得的曲线即为拟合得到的弯管，弯管和两侧折线叠加拟合所得到的曲线即为本发明根据工厂制作工艺拟合所得到的折线弯管预起拱曲线。

下面结合具体示例对本发明一种光热吸热器预应力管束或管屏预起拱形状的设计方法进行解释和说明。

示例1

本示例1的cfd软件采用ansysfluent14.5

fea软件采用ansysmechanical14.5

本示例采用一根管束来对本发明光热吸热器预应力管束或管屏预起拱形状的设计方法和施加方法进行解释说明。其中，材料在工作温度下的许用应力[σ]t＝280mpa。

具体预起拱曲线的设计过程如下：

a求解工作工况下管束温度场

具体地，根据光热吸热器管壁实际的热流密度输入和介质流量，通过流体力学(cfd)分析软件，计算工作工况下管束温度场；

图2为本示例1中模拟的不考虑管束起拱时的形状以及光照的能流密度图，其中单根管束的质量流量为2.466kg/s，入口温度为290℃，通过ansysfluent14.5软件计算得到的管束温度场。

b求解工作温度下管束自由变形形状

将上述步骤a中求解得到的温度场导入ansysmechanical14.5有限元结构分析软件中，并设置管束的上下端约束，中间不设置任何约束点。根据上下端的约束点，求解得到的管束变形形状如图3所示。

c求解初始起拱形状下的预应力σp

将上述步骤b得到的变形形状反向，得到与其变形形状对称相反的形状作为初始起拱形状曲线，如图4所示。将预应力支点设置为两个，分别设置与管束上下端垂直距离为1/4l～1/3l的位置，l为整个管束在轴向上投影的垂直长度。

待预应力支点设置完成以后，设置好上下端点约束。并在预应力支点处施加往直管轴线位置的位移δ0，同时也可以得到管束中点距离直管轴线位置的垂直位移即中间位置的位移δc，预应力支点设置、预应力支点位移、中间位置位移分布如图5所示，计算得到预应力支点的位移δ0＝2.33m，中间位置的位移δc＝3.198m。

利用有限元结构分析软件求解获得不考虑能流输入时常温状态von-mises当量应力最大值σp＝280.37mpa。

d确定调整系数k

根据上述步骤c获得von-mises当量应力最大值σp(＝280.37mpa)，确定调整系数k。

k＝c×[σ]t/σp＝0.9×280/280.37＝0.899

其中：c＝0.9；[σ]t＝280mpa；σp＝280.37mpa

e确定管束预起拱曲线

将上述步骤c得到的位移δ0乘以调整系数k得到的位移即为管束预起拱需要施加的实际位移δp：

δ＝kδ0＝0.899×2.33m＝2.095

将步骤c得到的初始起拱形状曲线乘以调整系数k即为管束预起拱形状曲线。经调整后的管束预起拱曲线与初始起拱形状曲线的对比结果如图6所示。图6中，曲线a(z向变形位移)为第二步计算得到的管束受光照的变形位移曲线，曲线b(初始起拱曲线)为第三步所采用的初始起拱曲线，是曲线a根据管束平面镜像的曲线；曲线c(调整后最终起拱曲线)为曲线b乘以调整系数k后所得的最终起拱曲线。

当然，也可以根据工厂制造工艺，将上述得到的预起拱曲线重新调整拟合为折线弯管曲线，作为所需的预应力起拱曲线。折线弯管拟合的具体过程为：

折线弯管中弯管的半径通过以下公式计算得到：

上式中：l为整个管束在轴向上投影的垂直长度；l1为预应力支点与管束上下端之间的距离在其轴向上投影的垂直长度；δcp＝kδc；δp＝kδ0。

本实例中，l＝17.6m，l1＝4.4m，δp＝2.330m，δc＝3.198m，k＝0.899，δp＝2.095m，δcp＝2.875m，计算得到的弯管半径rp＝11.795m。

折线长度及斜率根据位移δp以及l1来确定，最后以计算得到的弯管半径作圆弧，其与两侧折线交点之间所得的曲线即为拟合得到的弯管，弯管和两侧折线叠加拟合所得到的曲线即为本发明根据工厂制作工艺拟合所得到的折线弯管预起拱曲线。本示例拟合得到的折线弯管如图7所示。

示例1采用预起拱形状对管束施加预应力和非起拱管束对比

将本示例1采用预起拱形状对管束施加预应力与非起拱管束(不施加预应力)放在相同的光照强度下，考察其当量应力的最大值。其中，不预先采用本发明预起拱形状的非拱结构管束在其光照强度表的von-mises当量应力最大值为330mpa，超过了材料的屈服强度280mpa；而示例1管束按照预起拱形状施加预应力后其von-mises当量应力最大值为164mpa，极大降低了应力水平，可见本发明进行预应力起拱形状的设计效果明显，能有效地提升光热吸热器管束或管屏承受最大热流密度的能力，从而使其即能满足常温强度要求，又能满足光照时吸热器在实际工作温度下的强度要求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。