一种大型碟式太阳能聚光器网架结构拓扑优化方法

本发明属于太阳能发电，具体为一种大型碟式太阳能聚光器网架结构拓扑优化方法。

背景技术：

1、太阳能热发电系统分为槽式太阳能热发电系统、塔式太阳能热发电系统和碟式太阳能热发电系统。碟式太阳能热发电系统因其效率高而被广泛应用。碟式太阳能热发电系统的聚光器组由聚光镜、网架结构等部分组成，其中聚光器网架结构是整个太阳能热发电系统的主要承载部件。碟式太阳能发电系统的所需要的大功率必然会使其需要更大的聚光器来收集太阳光，因此其聚光器的尺度就会更大，支撑聚光器的网架结构机械场尺度也会逐渐增大，机架结构由于其空间尺度大，变形位移和误差精度难以控制等问题，成为了制造装配和设计中的难点，它必须有足够的强度和刚度以保证结构的可靠性和寿命。因此，网架的重量要尽量减轻，以减轻整体的重量，从而降低成本。对于结构优化来言，拓扑(结构)优化相对于形状优化和尺寸优化能够更有效的提高材料利用率，改变结构的构型，从而真正达到优化的目的。聚光器所受到的主要载荷为重力载荷和风载荷，但目前针对聚光器网架结构在气动载荷下的拓扑优化研究较少。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种大型碟式太阳能聚光器网架结构拓扑优化方法，对碟式太阳能聚光器网架结构进行了有限元分析和拓扑优化设计，最终优化后的网架结构性能在各方面均有所提高，减少了加工成本，在满足轻量化要求的同时，提高了网架结构的基频，所述拓扑优化方法能够为工程设计人员提供结构的概念性优化设计方法，可以缩短设计开发的周期，降低企业的研发成本，从而增强企业的竞争力。

2、为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

3、一种大型碟式太阳能聚光器网架结构拓扑优化方法，包括如下步骤：

4、步骤s1：建立初始设计的碟式太阳能热发电系统的三维模型；

5、步骤s2：对步骤s1建立的三维模型中的聚光器进行初始优化；

6、步骤s3：对步骤s2建立的优化模型进行流体网格划分和有限元分析；

7、步骤s4：对步骤s3进行流体网格划分和有限元分析后的模型进行拓扑优化。

8、作为上述技术方案的进一步改进：

9、步骤s1中建立的三维模型包括网架结构和聚光镜，聚光镜安装在网架结构上，所述聚光器包括聚光镜和网架结构，网架结构包括多个第一支撑梁和多个辐射连接件，辐射连接件为长条形镂空结构，多个辐射连接件呈辐射状布置，多个第一支撑梁设置成多个同轴布置在辐射连接件的圆形结构。

10、步骤s1中，建立所述三维模型后，对所述三维模型进行有限元分析，获得单个辐射连接件的位移云图和应力云图。

11、步骤s2中，将镂空状的辐射连接件设计为实心结构。

12、步骤s3中，流体网格划分前，确定流体域的尺寸，所述聚光器位于所述流体域中，所述流体域的长度尺寸为聚光器的尺寸的10倍，流体域的宽度和高度为聚光器尺寸的5倍。

13、利用仿真软件模拟风场，获得六级风速下网架结构受到的风载荷大小。

14、步骤s4中，根据网架结构受到的风载荷，通过变密度法进行拓扑优化。

15、获取优化后的网架结构的位移云图和应力云图，若网架结构上的最大应力和最大位移低于优化前，则优化后的网架结构性能优于初始设计的网架结构性能，完成优化。

16、本发明的有益效果是：对碟式太阳能聚光器网架结构进行了有限元分析和拓扑优化设计，最终优化后的网架结构性能在各方面均有所提高，最大应力、最大位移和总重量均降低了，减少了加工成本，在满足轻量化要求的同时，提高了网架结构的基频，以避免由于振动而引起的有效载荷设计精度下降，所述拓扑优化方法能够为工程设计人员提供结构的概念性优化设计方法，可以缩短设计开发的周期，降低企业的研发成本，从而增强企业的竞争力；通过流场模拟将模拟获得的风载以面载荷的方式沿x轴方向直接施加在网架结构上，作为拓扑优化的载荷条件之一，综合考虑了风载和自重，优化更精准和有效。

技术特征：

1.一种大型碟式太阳能聚光器网架结构拓扑优化方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的碟式太阳能聚光器网架结构拓扑优化方法，其特征在于：步骤s1中建立的三维模型包括网架结构(3)和聚光镜(4)，聚光镜(4)安装在网架结构(3)上，所述聚光器包括聚光镜(4)和网架结构(3)，网架结构(3)包括多个第一支撑梁(31)和多个辐射连接件(34)，辐射连接件(34)为长条形镂空结构，多个辐射连接件(34)呈辐射状布置，多个第一支撑梁(31)设置成多个同轴布置在辐射连接件(34)的圆形结构。

3.根据权利要求2所述的碟式太阳能聚光器网架结构拓扑优化方法，其特征在于：步骤s1中，建立所述三维模型后，对所述三维模型进行有限元分析，获得单个辐射连接件(34)的位移云图和应力云图。

4.根据权利要求2所述的碟式太阳能聚光器网架结构拓扑优化方法，其特征在于：步骤s2中，将镂空状的辐射连接件(34)设计为实心结构。

5.根据权利要求3所述的碟式太阳能聚光器网架结构拓扑优化方法，其特征在于：步骤s3中，流体网格划分前，确定流体域的尺寸，所述聚光器位于所述流体域中，所述流体域的长度尺寸为聚光器的尺寸的10倍，流体域的宽度和高度为聚光器尺寸的5倍。

6.根据权利要求5所述的碟式太阳能聚光器网架结构拓扑优化方法，其特征在于：利用仿真软件模拟风场，获得六级风速下网架结构(3)受到的风载荷大小。

7.根据权利要求6所述的碟式太阳能聚光器网架结构拓扑优化方法，其特征在于：步骤s4中，根据网架结构(3)受到的风载荷，通过变密度法进行拓扑优化。

8.根据权利要求7所述的碟式太阳能聚光器网架结构拓扑优化方法，其特征在于：获取优化后的网架结构(3)的位移云图和应力云图，若网架结构(3)上的最大应力和最大位移低于优化前，则优化后的网架结构(3)性能优于初始设计的网架结构(3)性能，完成优化。

技术总结
本发明公开了一种大型碟式太阳能聚光器网架结构拓扑优化方法，包括如下步骤：步骤S1：建立初始设计的碟式太阳能热发电系统的三维模型；步骤S2：对步骤S1建立的三维模型中的聚光器进行初始优化；步骤S3：对步骤S2建立的优化模型进行流体网格划分和有限元分析；步骤S4：对步骤S3进行流体网格划分和有限元分析后的模型进行拓扑优化。本发明对碟式太阳能聚光器网架结构进行了有限元分析和拓扑优化设计，最终优化后的网架结构性能在各方面均有所提高，所述拓扑优化方法能够为工程设计人员提供结构的概念性优化设计方法，可以缩短设计开发的周期，降低企业的研发成本，从而增强企业的竞争力。

技术研发人员：魏克湘,王婵,鄂加强,左红艳,聂笃忠
受保护的技术使用者：湖南工程学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16