劉 武，買買提明·艾尼，崔東岳，韓 會(huì)

1 引言

以光-熱為主的熱發(fā)電系統(tǒng)分為：塔式、碟式和槽式等太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)[1]。槽式太陽能根據(jù)聚光器桁架結(jié)構(gòu)類型分為三類：扭矩管式，扭矩盒式以及空間桁架式。綜合比較三類桁架結(jié)構(gòu)聚光器的最大驅(qū)動(dòng)面積、幾何聚光比、單位面積重量和峰值光學(xué)效率等性能[2]，可知扭矩盒式聚光器性能較優(yōu)。聚光器桁架結(jié)構(gòu)的工作條件比較復(fù)雜，其具有陣列結(jié)構(gòu)和桿件數(shù)量多等特點(diǎn)，因此設(shè)計(jì)時(shí)必須根據(jù)極端工況條件進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和動(dòng)力學(xué)分析等，從而盡可能避免極端環(huán)境造成的毀滅性連帶災(zāi)難。但是目前使用的傳統(tǒng)桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足設(shè)計(jì)精度高、準(zhǔn)確、最佳和快速的現(xiàn)代設(shè)計(jì)需求。因此，創(chuàng)建參數(shù)化建模和數(shù)值分析的系統(tǒng)對(duì)加快聚光器桁架結(jié)構(gòu)的研究顯得十分有意義。目前國(guó)內(nèi)有許多學(xué)者對(duì)槽式太陽能聚光器桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析與研究。文獻(xiàn)[3]運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)理論模擬了槽式太陽能聚熱器在不同角度、不同風(fēng)載以及不同的反光鏡片間隙的情況下的運(yùn)行情況。文獻(xiàn)[4]利用ANSYS Workbench對(duì)槽式太陽能在風(fēng)場(chǎng)下的運(yùn)行情況進(jìn)行了流固耦合分析，并分析了不同仰角下聚光器的模態(tài)頻率與振型。文獻(xiàn)[5]利用Pro/E和ADAMS，對(duì)槽式太陽能聚光器建立了動(dòng)力學(xué)仿真分析。以上可知雖然已有許多CAD/CAE軟件可進(jìn)行3D建模和數(shù)值分析，但是需要熟悉CAD/CAE軟件的專門人員來操作實(shí)現(xiàn)。為解決這個(gè)難題，我們?cè)鴮?duì)槽式太陽能空間桁架式支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)化建模和數(shù)值分析，建立了面向一般用戶的參數(shù)化數(shù)值建模和分析軟件平臺(tái)[6]。

在以上軟件平臺(tái)的基礎(chǔ)上對(duì)槽式太陽能TTC（TorqueCassette Concentrator扭矩盒式聚光器）桁架結(jié)構(gòu)及其關(guān)鍵尺寸參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)研究，運(yùn)用ANSYS的參數(shù)化設(shè)計(jì)語言APDL對(duì)其進(jìn)行參數(shù)化建模。而后通過VisualStudio2008平臺(tái)C++語言結(jié)合ANSYS提供的開發(fā)接口對(duì)其進(jìn)行二次開發(fā)，添加了新的TTC桁架結(jié)構(gòu)軟件集成，進(jìn)一步完善和升級(jí)了具有良好人機(jī)界面的槽式太陽能參數(shù)化建模和數(shù)值分析系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 系統(tǒng)工作原理

槽式太陽能TTC桁架結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模和數(shù)值分析系統(tǒng)是利用Microsoft Visual studio 2008軟件采用C++語言自主編寫的一個(gè)參數(shù)化建模和有限元分析平臺(tái)。系統(tǒng)具有友好的人機(jī)交互性，能夠在人機(jī)界面更改或選擇槽式太陽能結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料屬性、網(wǎng)格尺寸、邊界條件、載荷以及結(jié)果顯示云圖類型等，然后生成相應(yīng)APDL命令流的宏文件，并通過ANSYS的批處理模式進(jìn)行外部調(diào)用APDL，實(shí)現(xiàn)ANSYS后臺(tái)運(yùn)行，完成槽式太陽能的有限元分析。通過VC++編寫的圖像調(diào)用程序，可對(duì)分析結(jié)果圖像進(jìn)行截取顯示在輸出界面上。

系統(tǒng)根據(jù)分析進(jìn)程分為前處理模塊，主處理模塊和后處理模塊[7]。前處理模塊包含兩個(gè)部分。第一部分，對(duì)應(yīng)模型結(jié)構(gòu)主參數(shù)輸入，副參數(shù)輸入和材料屬性設(shè)置等，并通過主參數(shù)與副參數(shù)之間的相關(guān)算法算出所有點(diǎn)線面之間尺寸關(guān)系，生成相應(yīng)APDL命令流并保存為宏文件，然后自動(dòng)進(jìn)行ANSYS后臺(tái)調(diào)用生成幾何模型。第二部分，對(duì)已形成的模型選擇輸入網(wǎng)格類型和屬性，施加邊界條件和添加載荷等，并生成相應(yīng)APDL命令流，自動(dòng)進(jìn)行ANSYS后臺(tái)調(diào)用，自動(dòng)劃分網(wǎng)格和完成邊界條件的設(shè)定。主處理模塊包括數(shù)值算法的選擇和相應(yīng)的計(jì)算條件的設(shè)定等，并生成APDL宏文件后直接調(diào)用ANSYS對(duì)所生成有限元模型進(jìn)行數(shù)值分析。后處理模塊包括對(duì)分析結(jié)果的可視化處理，結(jié)果顯示云圖類型，視角參數(shù)等，生成APDL宏文件調(diào)入ANSYS進(jìn)行結(jié)果處理，然后對(duì)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)圖像提取，返回圖形輸出界面，顯示圖像。三大模塊運(yùn)行原理，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作原理圖Fig.1 Working Principle Chart of the System

2.2 系統(tǒng)用戶界面

系統(tǒng)建立了四個(gè)用戶操作界面：第一個(gè)為主界面；第二個(gè)為前處理界面；第三個(gè)為主處理界面；第四個(gè)為后處理界面。四個(gè)界面中，主界面為父窗體，其余三個(gè)界面為子窗體，四者通過事件響應(yīng)連接在一起，如圖2所示。四大用戶界面均由Visual studio 2008軟件Windows Forms應(yīng)用程序生成，界面中各類按鈕，文本框和標(biāo)簽等控件均直接從工具箱Toolbox拖曳生成，然后單擊其屬性窗口，對(duì)相應(yīng)控件編輯事件處理程序，即可生成所需控件功能。同時(shí)在同一解決方案下建立APDL文本程序，結(jié)果圖像顯示程序，再通過系統(tǒng)調(diào)用程序鏈接相應(yīng)程序文件，進(jìn)行平臺(tái)功能的正常運(yùn)行。

圖2 用戶界面組成Fig.2 User Interface Composition

2.3 C++與ANSYS程序接口

在用戶界面根據(jù)所需分析類型，調(diào)整相應(yīng)參數(shù)，導(dǎo)入程序，自動(dòng)生成相應(yīng)分析的APDL命令流，然后利C++與ANSYS間的程序接口，開啟ANSYS批量后處理模式，進(jìn)行相應(yīng)有限元分析計(jì)算。軟件平臺(tái)與ANSYS后臺(tái)調(diào)用程序接口使用Process類[7]進(jìn)行創(chuàng)建，其具體代碼如下：

Process^ansysProcess；//定義進(jìn)程對(duì)象

ansysProcess=gcnewProcess（）；

ansysProcess-＞Exited+=gcnew EventHandler（this，&ANSYSwork::stop）；

ansysProcess-＞EnableRaisingEvents=true；//開啟進(jìn)程事件響應(yīng)

ansysProcess-＞StartInfo-＞FileName=root；ansysProcess-＞StartInfo-＞Arguments=“-b-p ane3flds-i code.in-o Info.out”；//ANSYS 命令，其中-b指定批處理模式，-p ane3flds指定求解器為ansys lsdya，-i code.in指定code.in為APDL輸入文本，-oInfo.out指定Info.out為輸出文本。

ansysProcess-＞StartInfo-＞W(wǎng)indowStyle=System::Diagnostics::Process WindowStyle::Hidden；

ansysProcess-＞Start（）；//進(jìn)程啟動(dòng)

3 軟件系統(tǒng)數(shù)值分析實(shí)例

3.1 TTC桁架結(jié)構(gòu)參數(shù)化

3.1.1 TTC桁架結(jié)構(gòu)主參數(shù)

槽式太陽聚光器主要結(jié)構(gòu)部件有拋物形反光鏡，集熱管和桁架支撐結(jié)構(gòu)等。聚光器拋物形反光鏡開口寬度為A，拋物線焦距為F，扭矩盒寬為V，高為H，集熱管直徑為d，拋物曲線方程[8]為：

桁架支撐結(jié)構(gòu)橫截面形狀，如圖3所示。通過以上分析，確定了TTC桁架整體結(jié)構(gòu)的主參數(shù)，如表1所示。TTC桁架結(jié)構(gòu)材料屬性，如表2所示。

圖3 TTC桁架結(jié)構(gòu)橫截面示意圖Fig.3 DCross Section Diagram of TTC Truss Structure

表 1 TTC主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Main Structure Parameters of the TTC

表 2 TTC材料屬性Tab.2 Materials Properties of the TTC

3.1.2 TTC桁架結(jié)構(gòu)副參數(shù)及其與主參數(shù)的算法聯(lián)系

將TTC桁架結(jié)構(gòu)的開口寬度A、焦距F、扭矩盒的寬度V與高H、主懸臂與扭矩盒的夾角α、拋物鏡面最低點(diǎn)與扭矩盒桁架上端間距離D等設(shè)定為主參數(shù)，建立主參數(shù)與桁架其它結(jié)構(gòu)副參數(shù)間的關(guān)系式，并以關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)的形式表示，如表3所示。

表 3 TTC桁架結(jié)構(gòu)橫截面關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)值Tab.3 Coordinate Values of TTC Truss Struture Cross Section Key Points

3.1.3 TTC桁架結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)置與載荷邊界條件施加

TTC桁架其長(zhǎng)度尺寸遠(yuǎn)大于截面尺寸，且一般受軸向載荷和彎矩，因此選用梁?jiǎn)卧˙eam188單元）來建模。反光鏡面其厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其長(zhǎng)寬，且主要承受平面內(nèi)載荷和法向載荷，因此選用殼單元（Shell181單元）進(jìn)行建模。立柱和端板等實(shí)體部分采用實(shí)體單元（Solid186單元）進(jìn)行建模。

整個(gè)模型中主要有兩大接觸區(qū)域：（1）懸臂與反光鏡面之間接觸；（2）扭矩盒兩端軸與支撐立柱之間的接觸，通過設(shè)置接觸約束進(jìn)行模擬。懸臂與鏡面之間的接觸為點(diǎn)—面接觸，目標(biāo)面為反光鏡面，采用ANSYS中Targe170單元建模；接觸面為懸臂端點(diǎn)，采用Conta175單元建模。軸與立柱之間的接觸為面—面接觸，軸接觸面采用Targe170單元建模；立柱接觸面采用Conta174單元建模。

根據(jù)新疆某公司提供的槽式太陽能聚光器工況情況，考慮新疆各地的惡劣環(huán)境條件，本軟件引入槽式太陽能受到風(fēng)載，雪載以及自重等加載方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)槽式太陽能聚光器在極端環(huán)境下的受力情況的計(jì)入，并實(shí)現(xiàn)了靜力學(xué)分析，動(dòng)力學(xué)分析等復(fù)雜數(shù)值分析能力。以下為載荷類型的簡(jiǎn)要介紹。

（1）風(fēng)載

由自由氣流的風(fēng)速施加在單位面積上的風(fēng)壓[9]為：

式中：ρ— 空氣密度，kg/m3；U—風(fēng)速，m/s；ω—風(fēng)壓，kg/m2。

由于空氣密度ρ和重度γ的關(guān)系為：

式中：γ—重度，N/m3。

則可得風(fēng)速-風(fēng)壓關(guān)系公式：

γ和g的值隨海拔的變化而不同[10]，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)可知新疆烏魯木齊的風(fēng)速—風(fēng)壓公式為：

槽式太陽能聚光器需考慮其在8級(jí)風(fēng)速下的受力情況，則此處取8級(jí)風(fēng)速，取U為20.7m/s，則風(fēng)載大小約為238Pa，風(fēng)載以靜載的形式施加在鏡面上。

（2）雪載

雪載是由積雪的重力堆積在建筑或構(gòu)筑物外表面所形成的氣象載荷。雪載荷作用在反光鏡上的壓力公式為：

式中：ρs—積雪密度，kg/m3；g—重力加速度，m/s2；h—積雪厚度，m。

新疆烏魯木齊地處海拔較高位置，整個(gè)冬季和春季雪量大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，容易形成大面積的堆積雪。此處取積雪平均密度為75kg/m3，積雪厚度為0.1m，則雪載大小為73.5Pa，以靜載的形式施加在鏡面上。

（3）自重載荷

因?yàn)門TC桁架結(jié)構(gòu)主要由桿件組成，本身會(huì)產(chǎn)生較大重力，對(duì)其有限元分析會(huì)產(chǎn)生影響，所以應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況對(duì)其施加自重載荷。

3.2 分析系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

在用戶界面窗口對(duì)TTC桁架結(jié)構(gòu)的主參數(shù)進(jìn)行輸入，并通過主參數(shù)與其它副參數(shù)間算法關(guān)系，建立起聚光器桁架結(jié)構(gòu)整體尺寸關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。同時(shí)調(diào)整聚光器旋轉(zhuǎn)的仰角、載荷、邊界條件等以達(dá)到對(duì)新疆復(fù)雜的氣候環(huán)境的多工況模擬。參數(shù)化建模與數(shù)值分析系統(tǒng)主要界面，如圖4所示。因篇幅有限未對(duì)其它界面列出。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)聚光器旋轉(zhuǎn)仰角大小和單元網(wǎng)格密度控制，如圖5所示。

圖 4 TTC桁架結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模與數(shù)值分析系統(tǒng)Fig.4 Parametric Modeling and Numerical Analysis of TTC Truss Structure

圖5 不同仰角和不同網(wǎng)格密度殼單元的聚光器模型Fig.5 Different Elevations and Different Shell Element Sizes of Condenser Model

圖6 靜力學(xué)分析云圖Fig.6 Clouds of Static Analysis

圖7 模態(tài)分析輸出界面Fig.7 Output Windows of Modal Analysis

取90°仰角的聚光器模型，對(duì)TTC桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析，施加風(fēng)載雪載和自重載荷，對(duì)立柱兩端進(jìn)行全約束，得出分析云圖，如圖6所示?？煽闯銎渥冃瘟亢头醋饔昧χ饕性阽R面邊緣和中部區(qū)域，相應(yīng)部位桁架結(jié)構(gòu)變形量亦較大，需對(duì)相應(yīng)部位桁架結(jié)構(gòu)加強(qiáng)剛度與強(qiáng)度。對(duì)聚光器進(jìn)行無預(yù)應(yīng)力的固有模態(tài)分析，分析前六階固有頻率，得出TTC桁架結(jié)構(gòu)模型第一階振型為聚光器整體沿Z軸的移動(dòng)；第二階振型為聚光器桁架結(jié)構(gòu)沿Z軸的的轉(zhuǎn)動(dòng)和反光鏡邊緣的上下擺動(dòng)；第三階到第六階振型均以反光鏡邊緣部分揮舞擺動(dòng)為主。其模態(tài)分析，如圖7所示。模態(tài)分析固有頻率，如表4所示。同時(shí)軟件系統(tǒng)可對(duì)TTC桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行諧響應(yīng)分析、屈曲分析以及譜分析，其動(dòng)力學(xué)分析，如圖8所示。

表4 模態(tài)分析固有頻率Tab.4 Natural Frequencies of Modal Analysis

圖8 動(dòng)力學(xué)分析輸出界面Fig.8 Output Windows of Dynamics Analysis

4 結(jié)論

（1）利用Visual studio 2008軟件開發(fā)平臺(tái)C++編程模塊封裝ANSYS二次開發(fā)工具APDL，實(shí)現(xiàn)了對(duì)ANSYS核心程序的調(diào)用，結(jié)合VS2008優(yōu)良的軟件開發(fā)功能和ANSYS二次開發(fā)工具APDL參數(shù)化建模能力，對(duì)軟件系統(tǒng)進(jìn)行了總體架構(gòu)設(shè)計(jì)。

（2）編程實(shí)現(xiàn)了槽式太陽能TTC桁架結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模與數(shù)值分析軟件，可以靈活建立各類參數(shù)和分析類型的模型并進(jìn)行控制，避免了建模過程中的數(shù)據(jù)流失，大大縮短了槽式太陽能TTC桁架結(jié)構(gòu)的有限元建模時(shí)間，保證了有限元分析的可靠性。

（3）通過對(duì)槽式太陽能TTC桁架結(jié)構(gòu)的實(shí)例操作建模和數(shù)值分析，驗(yàn)證了該軟件系統(tǒng)的參數(shù)化建模功能的有效性、方便性和適用性。