一種碟式聚光器反射表面的抗沖擊特性仿真模擬

劉 巍，宋 潔，韓 曉

（河海大學機電工程學院，江蘇常州 213022）

0 引言

近年來，由于冰雹天氣的發生，使得太陽能聚光碟片的抗沖擊性面臨著重大挑戰，近幾年聚光碟片表面的抗沖擊特性的研究日益提上日程，成為人們關注的焦點。

中國農業大學丁敏等人對冰雹沖擊下溫室玻璃破損情景進行了數值模擬，但它只是對單層玻璃進行模擬分析；同濟大學的童樹庭等人分析了玻璃厚度、聚乙烯醇縮丁醛(PVB)膠片厚度及其不同組合對夾層玻璃沖擊強度的影響；Anderson 等人研究了石墨環氧樹脂面板和泡沫的復合材料在低速沖擊下的殘余壓痕的問題；M.Q.Nguyen 等人利用ANSYS/LS-DYNA 軟件對蜂窩夾芯板進行了沖擊模擬。

相對于單層的普通金屬或非金屬材料而言，聚光碟反射表面的抗沖擊特性分析更為復雜。但是對于玻璃—粘膠—背板這種復合結構的聚光碟片抗沖擊特性研究還未見有報道，其研究具有一定價值和意義。

1 落球試驗標準

根據ANSI/UL1703 標準：當一電池板應用在具有代表性場合時，要承受6.78J 能量的沖擊試驗：即用直徑為51mm，質量為535g 的光滑的鋼球，從距試驗件1.295m 的高度，內徑52mm 的導管自由落下。

2 試驗件有限元模型

本論文所模擬的聚光器的試驗件尺寸是：玻璃100×100mm，粘膠100×100mm，背板100×100mm，背板背面四周同時固連厚度為1.5mm，高度為50mm 的加強筋。由于聚光碟的弧面曲率不是很大，且聚光碟剛性要求一個單元框格不能做得很大，因此玻璃、粘膠和背板近似成平面，加強筋都成正交形式的。

試驗件模型示意圖

玻璃采用非線性彈性材料，粘膠采用可壓縮的非線性彈性材料，背板采用線性的彈性材料，各材料參數如下表：

3 結果分析

3.1 玻璃厚度為1.0mm，粘膠厚度0.5mm，背板和加強筋厚度1.5mm

整個沖擊過程中，玻璃應力云圖如下圖所示從模擬的數據可以看出：玻璃的破壞形式主要是受拉破壞，在整個沖擊過程中，1.0mm 的玻璃表面單元所受最大的拉應力為54.7Mpa，未達到玻璃的抗拉強度58.8Mpa，粘膠所受最大拉應力為0.15Mpa，遠遠低于其抗拉強度，背板所受最大拉應力為67.7Mpa。

3.2 玻璃厚度1.5mm，粘膠厚度0.5mm，背板和加強筋厚度1.5mm

在整個沖擊過程中，玻璃應力云圖如下圖所示

從模擬數據看來，整個沖擊過程，1.5mm 玻璃所受到的最大拉應力為46Mpa，未達到其抗拉強度58.8Mpa，粘膠所受的最大拉應力為0.15Mpa，背板所受到的最大拉應力為69.3Mpa。同1.0mm的玻璃相比可以得出，適當加厚玻璃，有利于提高反射玻璃的抗沖擊性能。

3.3 玻璃厚度2.0mm，粘膠厚度0.5mm，背板和加強筋厚度1.5mm

在整個沖擊過程中，玻璃應力云圖如下圖所示

從模擬的數據可以看出，玻璃在整個沖擊過程中所受的最大拉應力為38.9Mpa，相比于1.0mm，1.5mm 的玻璃，2.0mm 的玻璃在相同沖擊作用下，所受的拉應力更小，玻璃更不容易破壞。

4 結論

1）玻璃厚度為1mm、粘膠厚度0.5mm、背板和加強筋厚度1.5mm 的新型聚光碟片結構能抗住535g 的落球沖擊，玻璃不會損壞。

2) 將玻璃加厚到1.5mm 或2.0mm 的聚光碟同樣能抵抗住535g 的落球沖擊，玻璃單元所受最大拉應力相比1.0mm 玻璃的最大拉應力有減小的趨勢，這說明將玻璃加厚有利于提高反射玻璃的抗沖擊性能。

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