申请/专利权人：湖南科技大学

申请日：2024-04-16

公开（公告）日：2024-07-05

公开（公告）号：CN118296761A

主分类号：G06F30/17

分类号：G06F30/17;G06F30/23;G06F119/14

优先权：

专利状态码：在审-实质审查的生效

法律状态：2024.07.23#实质审查的生效;2024.07.05#公开

摘要：本发明公开了一种钢桁‑预应力索轻质太阳能碟式聚光器的布索优化设计方法，它是结合传统钢桁架结构碟式聚光器的服役承载受力情况，创新的将辐射梁中部分腹杆和聚光器中部分连接杆主要承受拉力的替代为预应力钢索，并删除聚光器中承受轴力很低的杆件，形成钢桁‑预应力索轻质太阳能碟式聚光器，显著降低其钢材量和整机重量；并提供此新型碟式聚光器面向服役聚光精度的钢索优化布置方法，保障其服役光学性能和抗风安全性，增强碟式聚光器的经济性。

主权项：1.一种钢桁-预应力索轻质太阳能碟式聚光器的布索优化设计方法，其特征在于，包括如下实施步骤：步骤S01：输入初始碟式聚光器的几何参数和材料参数：输入用户提供的采用初始钢桁架结构的碟式聚光器的几何参数和材料参数，其中几何参数包括聚光器中各辐射梁的上下弦杆和腹杆连接节点位置及其钢结构截面几何参数、连接相邻辐射梁的连接杆的位置参数及其截面几何参数、通过螺栓固定于辐射梁上弦杆和连接杆上的若干镜面单元的几何参数及其螺栓支撑位置和支撑螺栓直径，以及碟式聚光器各镜面单元一起构成的抛物光学功能曲面的直径和焦距；材料参数包括辐射梁、连接杆、镜面单元和支撑螺栓的材料密度、杨氏弹性模量和泊松比；步骤S02：确定碟式聚光器各镜面单元的净风压载荷：根据步骤S01用户提供的碟式聚光器几何参数，将离地10米高度平均风速取为用户提供的聚光器额定设计风速，采用缩尺刚性模型风洞试验或数值模拟方法确定碟式聚光器在不同风向角和聚光器工作高度角组合下各镜面单元的净风压载荷，风向角从0°~360°等间距为G个取值，0°时是聚光器反射镜光学表面正面迎风；高度角从0°~90°等间距成J个取值，0°时碟式聚光器的抛物镜焦轴与地平面平行，风向角和高度角两参数组合后总共有G×J个风工况；其中，当采用数值模拟方法时，是采用计算流体动力学仿真软件Fluent对聚光器各风工况的风压分布进行三维定常模拟，各镜面单元的前后表面平均风压差值就是其净风压载荷；步骤S03：建立初始碟式聚光器的有限元模型：根据步骤S01用户提供的碟式聚光器几何参数和材料参数，采用有限元软件Ansys建立碟式聚光器的有限元模型；在碟式聚光器的有限元模型中，辐射梁的上下弦杆采用梁单元、辐射梁中的腹杆均采用仅能承受拉压的杆单元、连接相邻辐射梁且用于支撑镜面单元的连接杆均采用梁单元，而其它的连接杆采用杆单元、镜面单元采用Shell63壳单元且划分为三角形网格、支撑镜面单元的螺栓采用梁单元；聚光器有限元模型中梁单元与杆单元的连接处采用节点自由度耦合方式进行传力和不同单元自由度匹配，有限元建模完成后杆单元的总数量为N根，编号依次连续从1到N；边界条件包括：各辐射梁中上下弦杆的悬臂初始端完全固定，各镜面单元表面施加步骤S02获得的净风压载荷，同时施加垂直地平面且向下的重力载荷；步骤S04：计算各风工况下碟式聚光器有限元模型的各杆单元轴向力及其排序：基于步骤S03的聚光器有限元模型，计算得到各风工况下碟式聚光器有限元模型中各杆单元的轴向力，杆单元的轴向力受拉为正，受压为负值；对于编号为n的杆单元，在全部风工况下它的有效总轴向力Fn为： （1）；式中，Wk是编号为k的风工况的重要性权值，满足，k=1,2,...,G×J；为编号为n的杆单元在第k风工况下的轴向力；编号n=1,2,...,N；按照有效总轴向力Fn从小到大对所有杆单元进行排序，得到以排序序号-Fn-杆单元编号对应为行数据的数据表A；对于编号为n的杆单元，在全部风工况下它的有效受拉轴向力为： （2）；式中，Sn为杆受拉判断值，如果大于0则代表杆受拉，其Sn=1；反之则Sn=0；对于编号为n的杆单元，在全部风工况下它的有效受压轴向力为： （3）；式中，Sn1为杆受压判断值，如果小于0则代表杆受压，其Sn1=1；反之则Sn1=0；最后，杆单元n的有效轴力拉压比，它的值越大则代表杆单元n的受拉越显著；再按照有效轴力拉压比从大到小对所有杆单元进行排序，得到以排序序号--杆单元编号对应为行数据的数据表B；步骤S05：基于光学精度允许降低阈值删除低轴力杆：用户设置初始碟式聚光器的光学精度允许降低阈值St；计算任意风工况k下初始碟式聚光器反射镜面的总光学误差dk，并计算所有风工况下初始碟式聚光器的平均光学误差Dc为： （4）；式中，dk由聚光器反射镜面所有三角形网格的斜率误差面积加权而成，；其中，H代表聚光器有限元模型中反射镜面的总网格数量；di,1、di,2和di,3分别是风工况下反射镜面中第i个三角形单元的三个节点的总旋转角度位移，可从Ansys有限元分析结果中提取，i=1,2,...,H；Ai是第i个三角形单元沿聚光器焦轴方向投影的有效采光面积；At是反射镜面所有三角形单元沿聚光器焦轴方向投影的总有效采光面积，满足；然后，根据步骤S04中数据表A的排序序号，从小到大逐步删除对应编号的杆单元，即在步骤S03建立的初始碟式聚光器有限元模型基础上删除相应编号杆单元，得到删除低轴力杆的新碟式聚光器有限元模型，并计算所有风工况下新碟式聚光器的平均光学误差；记删除m根低轴力杆单元时聚光器的平均光学误差为： （5）；式中，为风工况k下按规则删除m根低轴力杆单元时新碟式聚光器反射镜面的总光学误差，；其中分别是当前新聚光器反射镜面中第i个三角形单元的三个节点的总旋转角度位移，可从Ansys有限元分析结果中提取；当且仅当满足下式（6）时，停止删除杆单元，此时删除的低轴力杆单元数量为m根； （6）；步骤S06：逐步将受压显著的杆单元替换为钢索并优化其索预应力：用户设置额定风速下碟式聚光器的最大允许平均光学误差St1；然后，在步骤S05删除低轴力杆单元的碟式聚光器模型基础上，根据步骤S04中数据表B的排序序号，从小到大逐步将对应编号的杆单元替换为钢索，钢索采用仅能受拉且能施加预应力的索单元建模，得到以索替换杆单元的新碟式聚光器有限元模型，并计算所有风工况下该新碟式聚光器的平均光学误差；当替换u根杆单元时新碟式聚光器的各索预应力优化模型为： （7）；式中，X为优化变量，其组成元素分别是u根钢索的预应力；为此时新碟式聚光器的平均光学误差，它是优化目标，越小越好；，分别是当前新聚光器反射镜面中第i个三角形单元的三个节点的总旋转角度位移，可从Ansys有限元分析结果中提取；是碟式聚光器中钢结构或镜面单元的最大应力，碟式聚光器中钢结构或镜面单元的许用应力，约束条件满足结构服役的强度要求；采用优化方法对数学模型（7）进行优化，得到u根钢索的最佳预应力值和此结构下的平均光学误差；当且仅当满足下式（8）时，停止增加钢索数量，此时替换的钢索数量为u根； （8）。

全文数据：

权利要求：

百度查询： 湖南科技大学 钢桁-预应力索轻质太阳能碟式聚光器的布索优化设计方法

免责声明
1、本报告根据公开、合法渠道获得相关数据和信息，力求客观、公正，但并不保证数据的最终完整性和准确性。
2、报告中的分析和结论仅反映本公司于发布本报告当日的职业理解，仅供参考使用，不能作为本公司承担任何法律责任的依据或者凭证。

阅读全文 双屏查看 官方信息 专利公告 收藏专利 下载PDF 下载WORD