槽式太陽能聚光器支架結構的拓撲優化設計研究

陳得貴

摘 要：太陽能的結構復雜多變，一般都有幾個比較重要的部分組成，但是槽式太陽能的聚光器的支架結構是主要的組成部分。本文根據其拓撲優化設計進行詳細的分析研究，不斷的改善，進行不斷的優化，從而提高太陽能的各方面性能。

關鍵詞：槽式太陽能；聚光器；拓撲優化；有限元

1.拓撲優化的設計理論

1.1拓撲優化的設計的基本要求

在滿足硬度等一系列條件的情況下，在給定的設計空間里，開鑿，挖洞，把不需要的東西全部去掉。找到更好的結構方式，讓產品在要求中獲得最成功的樣子。拓撲優化具有其他優化方式無法具有的優點，比如可以對基本結構的布局進行修改，模擬出概念性設計的結構方案給設計者，使設計更具備實用性和經濟性，在優化拓撲結構的過程中，設計者甚至不用去管拓撲結構形態，僅需提出設計范圍，就可以尋找出最佳的結構分布狀態，設計人員通過了解整個設計的結構特點，然后針對一個點進行設計。這種設計方式最終要達到的目的是在滿足一系列要求的情況下，使結構的性能達到接近理想的狀態。

1.2結構拓撲優化設計的原理和方法

就目前來說，連續體結構是拓撲優化設計的主流對象。這種方式的優化需要化整為零，把整體分成若干個小部分，然后根據所提出的基本要求和要達到的條件對這若干個小部分進行擇優選擇，形成猶如蜂窩一樣的連續體，最終獲得連續體的最優設計，目前這種優化方式比較適用的方法有，漸進結構優化方法，均勻化方法以及變密度方法。

1.2.1漸進結構的優化方法

具體操作比較簡單，那就是對各種材料精挑細選，剔除糟粕，剩余的結構也就趨向于標準了。在這種優化迭代的計算方法中，用零來表示不存在的單元材料。同理，存在的單元材料用一進行表示，這種算法可以用有限元法，在計算機上通過迭代過程實現。這種算法應用范圍廣，而且結構的單元數規模相當巨大。

1.2.2均勻優化方法的應用

均勻優化的方法比較理論化，要用切實可行的方法應用在學科中，把細小的東西加入到應用結構的材料中，其中改變的是微小結構單胞大小，整體的材料密度和彈性由局部材料的大小和方式決定，單胞大小的整改可以對微結構進行改變，如此便擴大了涉及范圍，從而對結構拓撲優化成功。

1.2.3變密度方法

變密度方法是比較常見的在拓撲設計連續體結構所用的方法。是一種材料勾畫效果，通過分析材料物理和密度之間的聯系，不許進行拓撲設計，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，讓每一個小部分的密度盡量一樣，每個單位的密度是改變的，把結構的平順柔軟度減小。

2.槽式聚光器支架介紹以及拓撲優化的意義

槽式聚光器是一個接一個排列的，上面有一個個聚光鏡對太陽光進行聚焦，對集熱管進行加熱，把里面的水加熱后形成水蒸氣，利用氣壓在催動發電機工作。聚光器是由驅動、傳感器、反射鏡、金屬支架、吸收管和控制器等組成的太陽能聚熱裝置。而在整個聚光器的總體重量中，支架結構占有很高的比重，重量既增加了成本又增加了系統的負重，而且支架的強度和剛度對整個系統的強度和剛度都有影響，所以優化支架對于整個系統的好處是不言而喻的。因為拓撲優化對于輕量化的優化能力相對于其他優化方式更好，所以選用拓撲優化對聚光器的支架結構進行輕量化的優化。

3.太陽能聚光器支架拓撲優化設計方法

在選定拓撲優化設計為設計方法之后，就要確定支架和鏡子的連接位置，優化結果的好壞取決于鏡子的支撐位置對結構的受力狀況，所以確定了鏡子的位置之后就可以建立拓撲優化的模型。總體的優化流程可概括為：先選定拓撲優化方法進行優化設計，然后選定優化設計對象，在對鏡子支點位置設計優化，接著對反射鏡支架結構拓撲優化設計，最后對拓撲優化結果可制造化進行處理。

上文提到了各種拓撲優化的方法，最普通不過的是變密度法，這種方法得到的部分密度是數字規則分布的，有助于最后解決可制造的問題，所以，我們著重討論一下變密度法的優化方式，借助合適的工具才能使用這個方法?？梢杂胦ptistrtct進行工作，然后用可以利用三維視圖的工具構建空間，在過程中不斷地進行修復和改善，力求沒有問題、一次通過。接著，把優化空間再進行處理，最后做出這個模型。模型建立完成后，需要通過拓撲優化計算，對結果進行分析考證，看結果是否能合理地運用且實際可行。如果結果合理，就能夠進行下一項克制造化的處理，并且進行有限元的分析，最終實現結構的輕量化；如果結果不合理，那么就要一切從新來過，直到結果合理為止。

聚光器的支架拓撲優化的流程可以概括為：首先根據設計要求建立cad模型，然后建立pe模型，分析載荷和邊界條件，接著對結構進行分析，對參數的定義進行優化，下面才進入到拓撲優化，再建立一個cad模型，并再次對結構進行分析，結果合理后結合工程實踐進行設計。

4.結論

由此我們可以得出拓撲優化的嚴謹性，安全性，可用性，以及對軟件技術的要求和對設計者的技術的要求，只有遵循這些要求，才能更好地進行太陽能聚光器支架結構的拓撲優化設計。

參考文獻

[1]孔祥兵. 槽式太陽能聚光器支架結構的拓撲優化設計[D].重慶大學，2012.

[2]管勛. 槽式太陽能熱發電系統中聚光裝置的結構分析與優化[D].華南理工大學，2013.