劉 武，買買提明·艾尼，崔東岳，韓 會

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)動面積、幾何聚光比、單位面積重量和峰值光學效率等性能[2]，可知扭矩盒式聚光器性能較優(yōu)。聚光器桁架結(jié)構(gòu)的工作條件比較復雜，其具有陣列結(jié)構(gòu)和桿件數(shù)量多等特點，因此設計時必須根據(jù)極端工況條件進行詳細的結(jié)構(gòu)設計和動力學分析等，從而盡可能避免極端環(huán)境造成的毀滅性連帶災難。但是目前使用的傳統(tǒng)桁架結(jié)構(gòu)設計方法還遠遠不能滿足設計精度高、準確、最佳和快速的現(xiàn)代設計需求。因此，創(chuàng)建參數(shù)化建模和數(shù)值分析的系統(tǒng)對加快聚光器桁架結(jié)構(gòu)的研究顯得十分有意義。目前國內(nèi)有許多學者對槽式太陽能聚光器桁架結(jié)構(gòu)進行了分析與研究。文獻[3]運用計算流體力學理論模擬了槽式太陽能聚熱器在不同角度、不同風載以及不同的反光鏡片間隙的情況下的運行情況。文獻[4]利用ANSYS Workbench對槽式太陽能在風場下的運行情況進行了流固耦合分析，并分析了不同仰角下聚光器的模態(tài)頻率與振型。文獻[5]利用Pro/E和ADAMS，對槽式太陽能聚光器建立了動力學仿真分析。以上可知雖然已有許多CAD/CAE軟件可進行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現(xiàn)。為解決這個難題，我們曾對槽式太陽能空間桁架式支撐結(jié)構(gòu)進行了參數(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[6]。

在以上軟件平臺的基礎(chǔ)上對槽式太陽能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)進行了詳細研究，運用ANSYS的參數(shù)化設計語言APDL對其進行參數(shù)化建模。而后通過VisualStudio2008平臺C++語言結(jié)合ANSYS提供的開發(fā)接口對其進行二次開發(fā)，添加了新的TTC桁架結(jié)構(gòu)軟件集成，進一步完善和升級了具有良好人機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參數(shù)化建模和有限元分析平臺。系統(tǒng)具有友好的人機交互性，能夠在人機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APDL命令流的宏文件，并通過ANSYS的批處理模式進行外部調(diào)用APDL，實現(xiàn)ANSYS后臺運行，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，可對分析結(jié)果圖像進行截取顯示在輸出界面上。

系統(tǒng)根據(jù)分析進程分為前處理模塊，主處理模塊和后處理模塊[7]。前處理模塊包含兩個部分。第一部分，對應模型結(jié)構(gòu)主參數(shù)輸入，副參數(shù)輸入和材料屬性設置等，并通過主參數(shù)與副參數(shù)之間的相關(guān)算法算出所有點線面之間尺寸關(guān)系，生成相應APDL命令流并保存為宏文件，然后自動進行ANSYS后臺調(diào)用生成幾何模型。第二部分，對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APDL命令流，自動進行ANSYS后臺調(diào)用，自動劃分網(wǎng)格和完成邊界條件的設定。主處理模塊包括數(shù)值算法的選擇和相應的計算條件的設定等，并生成APDL宏文件后直接調(diào)用ANSYS對所生成有限元模型進行數(shù)值分析。后處理模塊包括對分析結(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進行結(jié)果處理，然后對結(jié)果進行數(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)建立了四個用戶操作界面：第一個為主界面；第二個為前處理界面；第三個為主處理界面；第四個為后處理界面。四個界面中，主界面為父窗體，其余三個界面為子窗體，四者通過事件響應連接在一起，如圖2所示。四大用戶界面均由Visual studio 2008軟件Windows Forms應用程序生成，界面中各類按鈕，文本框和標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，對相應控件編輯事件處理程序，即可生成所需控件功能。同時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)用程序鏈接相應程序文件，進行平臺功能的正常運行。

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)整相應參數(shù)，導入程序，自動生成相應分析的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，進行相應有限元分析計算。軟件平臺與ANSYS后臺調(diào)用程序接口使用Process類[7]進行創(chuàng)建，其具體代碼如下：

Process^ansysProcess；//定義進程對象

ansysProcess=gcnewProcess（）；

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

ansysProcess-＞EnableRaisingEvents=true；//開啟進程事件響應

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（）；//進程啟動

3 軟件系統(tǒng)數(shù)值分析實例

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、拋物鏡面最低點與扭矩盒桁架上端間距離D等設定為主參數(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)鍵點坐標的形式表示，如表3所示。

表 3 TTC桁架結(jié)構(gòu)橫截面關(guān)鍵點坐標值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)化設置與載荷邊界條件施加

TTC桁架其長度尺寸遠大于截面尺寸，且一般受軸向載荷和彎矩，因此選用梁單元（Beam188單元）來建模。反光鏡面其厚度遠遠小于其長寬，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）進行建模。立柱和端板等實體部分采用實體單元（Solid186單元）進行建模。

整個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，通過設置接觸約束進行模擬。懸臂與鏡面之間的接觸為點—面接觸，目標面為反光鏡面，采用ANSYS中Targe170單元建模；接觸面為懸臂端點，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載，雪載以及自重等加載方式，實現(xiàn)對槽式太陽能聚光器在極端環(huán)境下的受力情況的計入，并實現(xiàn)了靜力學分析，動力學分析等復雜數(shù)值分析能力。以下為載荷類型的簡要介紹。

（1）風載

由自由氣流的風速施加在單位面積上的風壓[9]為：

式中：ρ— 空氣密度，kg/m3；U—風速，m/s；ω—風壓，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。

則可得風速-風壓關(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速—風壓公式為：

槽式太陽能聚光器需考慮其在8級風速下的受力情況，則此處取8級風速，取U為20.7m/s，則風載大小約為238Pa，風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，整個冬季和春季雪量大，持續(xù)時間長，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

因為TTC桁架結(jié)構(gòu)主要由桿件組成，本身會產(chǎn)生較大重力，對其有限元分析會產(chǎn)生影響，所以應根據(jù)實際情況對其施加自重載荷。

3.2 分析系統(tǒng)功能實現(xiàn)

在用戶界面窗口對TTC桁架結(jié)構(gòu)的主參數(shù)進行輸入，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)學模型。同時調(diào)整聚光器旋轉(zhuǎn)的仰角、載荷、邊界條件等以達到對新疆復雜的氣候環(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。因篇幅有限未對其它界面列出。系統(tǒng)實現(xiàn)對聚光器旋轉(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TTC桁架結(jié)構(gòu)進行靜力學分析，施加風載雪載和自重載荷，對立柱兩端進行全約束，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，相應部位桁架結(jié)構(gòu)變形量亦較大，需對相應部位桁架結(jié)構(gòu)加強剛度與強度。對聚光器進行無預應力的固有模態(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；第二階振型為聚光器桁架結(jié)構(gòu)沿Z軸的的轉(zhuǎn)動和反光鏡邊緣的上下擺動；第三階到第六階振型均以反光鏡邊緣部分揮舞擺動為主。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。同時軟件系統(tǒng)可對TTC桁架結(jié)構(gòu)進行諧響應分析、屈曲分析以及譜分析，其動力學分析，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 動力學分析輸出界面Fig.8 Output Windows of Dynamics Analysis

4 結(jié)論

（1）利用Visual studio 2008軟件開發(fā)平臺C++編程模塊封裝ANSYS二次開發(fā)工具APDL，實現(xiàn)了對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，對軟件系統(tǒng)進行了總體架構(gòu)設計。

（2）編程實現(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)的有限元建模時間，保證了有限元分析的可靠性。

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