槽式太陽能聚光器支架結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化設(shè)計研究

陳得貴

摘 要：太陽能的結(jié)構(gòu)復(fù)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(jié)構(gòu)是主要的組成部分。本文根據(jù)其拓撲優(yōu)化設(shè)計進行詳細的分析研究，不斷的改善，進行不斷的優(yōu)化，從而提高太陽能的各方面性能。

關(guān)鍵詞：槽式太陽能；聚光器；拓撲優(yōu)化；有限元

1.拓撲優(yōu)化的設(shè)計理論

1.1拓撲優(yōu)化的設(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)方式，讓產(chǎn)品在要求中獲得最成功的樣子。拓撲優(yōu)化具有其他優(yōu)化方式無法具有的優(yōu)點，比如可以對基本結(jié)構(gòu)的布局進行修改，模擬出概念性設(shè)計的結(jié)構(gòu)方案給設(shè)計者，使設(shè)計更具備實用性和經(jīng)濟性，在優(yōu)化拓撲結(jié)構(gòu)的過程中，設(shè)計者甚至不用去管拓撲結(jié)構(gòu)形態(tài)，僅需提出設(shè)計范圍，就可以尋找出最佳的結(jié)構(gòu)分布狀態(tài)，設(shè)計人員通過了解整個設(shè)計的結(jié)構(gòu)特點，然后針對一個點進行設(shè)計。這種設(shè)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(jié)構(gòu)的性能達到接近理想的狀態(tài)。

1.2結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設(shè)計的原理和方法

就目前來說，連續(xù)體結(jié)構(gòu)是拓撲優(yōu)化設(shè)計的主流對象。這種方式的優(yōu)化需要化整為零，把整體分成若干個小部分，然后根據(jù)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(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，目前這種優(yōu)化方式比較適用的方法有，漸進結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，均勻化方法以及變密度方法。

1.2.1漸進結(jié)構(gòu)的優(yōu)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(jié)構(gòu)也就趨向于標準了。在這種優(yōu)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(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，要用切實可行的方法應(yīng)用在學(xué)科中，把細小的東西加入到應(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微結(jié)構(gòu)進行改變，如此便擴大了涉及范圍，從而對結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)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(shè)計連續(xù)體結(jié)構(gòu)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(lián)系，不許進行拓撲設(shè)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(jié)構(gòu)的平順柔軟度減小。

2.槽式聚光器支架介紹以及拓撲優(yōu)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(fā)電機工作。聚光器是由驅(qū)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(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)的負重，而且支架的強度和剛度對整個系統(tǒng)的強度和剛度都有影響，所以優(yōu)化支架對于整個系統(tǒng)的好處是不言而喻的。因為拓撲優(yōu)化對于輕量化的優(yōu)化能力相對于其他優(yōu)化方式更好，所以選用拓撲優(yōu)化對聚光器的支架結(jié)構(gòu)進行輕量化的優(yōu)化。

3.太陽能聚光器支架拓撲優(yōu)化設(shè)計方法

在選定拓撲優(yōu)化設(shè)計為設(shè)計方法之后，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撲優(yōu)化的模型。總體的優(yōu)化流程可概括為：先選定拓撲優(yōu)化方法進行優(yōu)化設(shè)計，然后選定優(yōu)化設(shè)計對象，在對鏡子支點位置設(shè)計優(yōu)化，接著對反射鏡支架結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設(shè)計，最后對拓撲優(yōu)化結(jié)果可制造化進行處理。

上文提到了各種拓撲優(yōu)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(shù)字規(guī)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(yōu)化方式，借助合適的工具才能使用這個方法。可以用optistrtct進行工作，然后用可以利用三維視圖的工具構(gòu)建空間，在過程中不斷地進行修復(fù)和改善，力求沒有問題、一次通過。接著，把優(yōu)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(yōu)化計算，對結(jié)果進行分析考證，看結(jié)果是否能合理地運用且實際可行。如果結(jié)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(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過，直到結(jié)果合理為止。

聚光器的支架拓撲優(yōu)化的流程可以概括為：首先根據(jù)設(shè)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(jié)構(gòu)進行分析，對參數(shù)的定義進行優(yōu)化，下面才進入到拓撲優(yōu)化，再建立一個cad模型，并再次對結(jié)構(gòu)進行分析，結(jié)果合理后結(jié)合工程實踐進行設(shè)計。

4.結(jié)論

由此我們可以得出拓撲優(yōu)化的嚴謹性，安全性，可用性，以及對軟件技術(shù)的要求和對設(shè)計者的技術(shù)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(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化設(shè)計。

參考文獻

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

[2]管勛. 槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中聚光裝置的結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化[D].華南理工大學(xué)，2013.