陶瓷型太陽能板爆裂的力學原因分析

荊 棟，宗治方

(山東理工大學 交通與車輛工程學院，山東 淄博 255049)

陶瓷型太陽能板爆裂的力學原因分析

荊 棟，宗治方

(山東理工大學 交通與車輛工程學院，山東 淄博 255049)

陶瓷型太陽能板在換水時受到急冷溫度變化易發生爆裂，嚴重影響正常使用。本文以正在使用的陶瓷型太陽能板為模型，利用UG軟件按照1:1的比例建立三維實體模型，導入ANSYS軟件建立有限元模型，模擬其在實際使用中所經歷的熱力學條件，進行了計算，分析陶瓷型太陽能板發生爆裂的力學原因，為進一步改進其結構提供依據。

陶瓷型太陽能板；爆裂；力學分析；數值模擬

0 引 言

陶瓷型太陽能板較其他形式太陽能具有制造工藝簡單、成本低、壽命長等優點。目前，不少人致力于陶瓷材料的應用性研究[1]，對平板型太陽能的研究有對其傳熱特性的數值研究[2]或者理論研究[3-4]，也有對金屬制太陽能板的研究[5]，而對陶瓷型太陽能板的研究[6-11]尚未完全成熟。

陶瓷型太陽能板是脆性材料，在換水時受急冷溫度的變化，入水口附近易發生爆裂[12]。為此，本文基于有限元法對陶瓷型太陽能板模型在急冷載荷下發生爆裂的力學原因進行了分析，分析結果為陶瓷型太陽能板的結構和加工工藝的改良提供了依據，以提高改善陶瓷型太陽能板的使用性能。

1 陶瓷型太陽能板的模型建立

1.1 陶瓷型太陽能板三維實體模型

目前，常見的陶瓷型太陽能板都是大通道、直通式扁盒結構，其制作工藝如下[7]：先把混合均勻的普通陶瓷泥漿注入石膏模具，待石膏模具把陶瓷泥漿中的一部分水分吸收后，再吹出未固化的陶瓷泥漿形成具有一定厚度的陶瓷型太陽能板生坯，再將生坯加熱到1210 ℃，燒結成型。

陶瓷型太陽能板的實際尺寸為715 mm×715 mm ×28 mm，壁厚為5 mm。用UG軟件建立陶瓷型太陽能板三維實體模型，如圖1所示。

陶瓷型太陽能板為對稱結構，在保證計算精度的同時，為提高計算速度，取太能板的1/4模型即可；故在ANSYS軟件中進行有限元分析計算時，僅對太能板的1/4模型進行有限元分析計算，建立了陶瓷型太陽能板的1/4模型，如圖2所示。

1.2 有限元模型的建立

圖1 陶瓷型太陽能板的三維實體模型Fig.1 Three-dimensional model of all-ceramic solar collector

圖2 1/4陶瓷型太陽能板三維實體模型Fig.2 1/4 three-dimensional model of all-ceramic solar collector

圖3 導入AYSYS軟件中Divide后的1/4陶瓷型太陽能板模型Fig.3 1/4 three-dimensional model of all-ceramic solar collector divided in ANSYS

圖4 1/4模型的網格劃分Fig.4 Meshing of 1/4 model

有限元計算過程中，網格的劃分尤其重要，其劃分的質量直接影響到計算的精度和速度。陶瓷型太陽能板的1/4三維實體模型結構較為復雜，為得到質量較好的網格，對導入ANSYS軟件的模型進行Divide，Divide為多個比較小的實體，再對所有比較小的實體Glue形成一個整體，如圖3所示，最后劃分網格。

陶瓷型太陽能板的板壁厚度(5 mm)和整板厚度(28 mm)差別不是特別大，在傳熱過程中需要考慮溫度在其板壁厚度方向上的變化，在利用ANSYS軟件進行分析計算時選用實體單元更加符合實際情況。因此，選擇單元類型為熱分析四面體單元SOLID87，它能很好的模擬該復雜三維模型。

陶瓷型太陽能板所用基體材料為線性膨脹系數比較小的堇青石陶瓷，其向陽表面的立體網狀黑瓷層主要作用是吸收陽光，對基體強度的影響可以忽略，在分析計算時不再予以考慮。堇青石平板陶瓷的性能參數為[13,14]：導熱系數4.25 W·(m·K)-1，比熱容840 J·(kg·℃)-1，密度2840 kg·m-3，楊氏模量400 GPa，線性膨脹系數2.04×10-6℃-1。

在ANSYS軟件中添加熱分析單元屬性：導熱系數4.25 W·(m·K)-1，比熱容840 J·(kg·℃)-1，密度2840 kg·m-3。對三維實體模型離散化，建立其有限元模型，如圖4所示。

2 理論分析和有限元計算

2.1 理論分析

根據陶瓷型太陽能板的實際工作條件及其在實際應用中的一種極端情況，即把在太陽能板內加熱到100 ℃的水放出后，立即注入15 ℃左右的自來水，在很短的時間內完成換水。

根據使用陶瓷型太陽能板的實測數據[11]，我國北方夏季晴朗的天氣條件下(最高太陽能的輻射值約為800 W·m-2)其熱效率假定為最高瞬時熱效率99%。

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由牛頓冷卻公式[14]：

q=h(tw-tf)式中：q為陶瓷型太陽能板對水的熱流密度，取值為 q=800×0.9792 w·m-2；h為待求表面傳熱系數(單位：W·m-2·K-2)； tw為陶瓷型太陽能板內壁面溫度，取值為tw=100 ℃；tf為自來水的溫度，取值為tf=15 ℃。得到表面傳熱系數h=9.32 W·m-2·K-2。

2.2 有限元計算

在ANSYS軟件中對模型進行有限元計算，步驟如下：

(1)對模型水道內表面施加對流換熱載荷，設置表面傳熱系數 W·m-2·K-2，進水溫度(初始溫度)為15 ℃。圖5紅色區域是模型水道內表面所施加的對流換熱載荷；

(2)模型水道內表面設置初始溫度為100 ℃，設置其在1 s內完成換水，即時間歷程為1 s，時間步長為0.2 s，設置溫度補償量為273(實際計算的0度與絕對0度的差值)，讀取每一載荷步的結果，寫入溫度場物理分析文件；

(3)為使溫度場的熱載荷對應力場分析沒有影響，清空當前溫度場數據，并刪除在溫度場施加的對流換熱載荷；

(4)從熱分析單元轉換為結構分析單元，轉換后的單元類型為四面體單元SOLID187，并添加單元屬性：楊氏模量400 GPa，線性膨脹系數2.04×10-6℃-1；

(5)在工程實際中，陶瓷型太陽能板的入水口處相當于固定端，故計算時，入水口處施加全約束，圖5模型的其他剖面施加法向約束；

(6)陶瓷型太陽能板在實際中工作時的溫度不低于15 ℃，定義分析參考溫度為15 ℃；

(7)寫入應力場物理分析文件，并讀取溫度場物理分析文件進行求解，求解得到陶瓷型太陽能板的溫度云圖(圖6)；

圖5 1/4模型的對流換熱載荷Fig.5 The load of heat convection in 1/4 model

(8)讀取溫度場物理分析文件并讀取溫度場結果進行應力場求解，求解得到陶瓷型太陽能板的溫度場和應力場共同作用產生的應力云圖(圖7)和位移云圖(圖8)。

2.3 計算結果討論

圖6 1/4模型的溫度場分布云圖Fig.6 Temperature nephogram of 1/4 model

圖7 1/4模型的應力場分布云圖Fig.7 Stress nephogram of 1/4 model

圖8 1/4模型的位移云圖Fig.8 Displacement nephogram of 1/4 model

對上述計算結果進行如下討論分析：

(1)由溫度場分布云圖，換水時溫度較高區域出現在管間肋板的兩端處和入水口外側，溫度較低的區域在水道的交叉處和入水口內側，緊挨著溫度較高區域。這些區域是陶瓷型太陽能板弧度變化大的地方，在換水過程中容易產生熱力集中，進而產生較大變形，對于脆性材料來講，比較容易發生爆裂。

圖9 爆裂的陶瓷型太陽能板Fig.9 The cracked all-ceramic solar collector

(2)由應力場分布云圖，最大應力區域出現在陶瓷型太陽能板的入水口處，為736 Mpa，此處存在熱力集中，造成此處應力大、易爆裂。堇青石陶瓷的微觀結構為蜂窩狀，作為陶瓷型太陽能板基體材料，在換水過程中總有一小部分水保留在板體的細小蜂窩狀孔內，這部分水被加熱或冷卻時，產生膨脹和收縮，為陶瓷材料產生裂縫提供強有力的條件，加劇太陽能板的爆裂。

(3)由位移云圖，陶瓷型太陽能板的變形量由入水口處向邊角區域依次變大。入水口處為全約束，邊角區域沒有約束，相同力學條件下，邊角區域產生的變形量要大于入水口。堇青石陶瓷為脆性材料，在換水過程中材料的形變對其影響較大，進而易發生爆裂。

3 結 論

本文就陶瓷型太陽能板在換水時，受到急冷溫度變化載荷易發生爆裂的問題，進行了計算分析。用UG軟件建立了陶瓷型太陽能板的三維實體模型，在ANSYS軟件中模擬了其實際工作中所受的邊界條件，得出了此過程中的溫度、應力和位移云圖，分析討論了陶瓷型太陽能板在換水時受急冷溫度變化載荷易發生爆裂的原因，為陶瓷型太陽能板的進一步改良提供了參考依據，計算分析結果與圖9所展示的真實情況吻合。對陶瓷型太陽能板的結構進行改良時，可以考慮減少陶瓷型太陽能板水道交叉處的弧度變化，使入水口與板體的連接部分趨于平緩。

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Mechanical Analysis of the Cracked All-Ceramic Solar Collector

JING Dong, ZONG Zhifang
(School of Traffic & Vehicle Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, Shandong, China)

All-ceramic solar collector is easier to crack, which affects its normal function severely, because it is under high-speed thermal change load in use. The three-dimensional model was built in UG software in the proportion of 1:1, and then imported to the ANSYS software. The ANSYS software analyzes the model of all-ceramic solar collector in finite element thermodynamic analysis and finds the cracked mechanical reasons.

all-ceramic solar collector; crack; mechanical analysis; numerical simulation

TQ174.75

A

1000-2278(2015)05-0526-04

10.13957/j.cnki.tcxb.2015.05.016

2015-03-23。

2015-03-31。

山東省高等學校科技計劃項目(編號：J14LB58)；國家自然科學基金資助項目(編號：51275280)。

荊 棟(1976-)，男，博士，講師。

Received date: 2015-03-23. Revised date: 2015-03-31.

Correspondent author:JING Dong(1976-), male, Doc., Lecturer.

E-mail:jingrenzhi@163.com