太阳能碟式聚光器桁架结构拓扑优化研究

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1、密级：非密中图分类号：TH113硕士学位论文太阳能碟式聚光器桁架结构拓扑优化研究研究生：程自然导师：彭佑多学科：机械工程研究方向：机电系统动力学与控制2018年5月AThesisSubmittedfortheDegreeofMasterResearchonthetopologyoptimizationofsolardishconcentratortrussstructureCandidate：ChengZiranSupervisorandRank：ProfessorPengYouduo太阳能碟式聚光器桁架结构拓扑优化研究学位类型学历硕士

2、学科(专业学位类别)机械工程作者姓名程自然作者学号15010301027彭佑多教授导师姓名及职称刘繁茂教授实践导师姓名及职称学院名称机电工程学院论文提交日期2018年月学位授予单位学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：2018年5月27日学位论文版权使用授权书本学位论文作者

3、完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期：2018年5月27日导师签名：日期：2018年5月27日摘要碟式太阳能热发电系统热转换效率高且节能环保，被认为是一种前景广阔的高品位太阳能热利用装备。其中聚光器桁架结构是整个碟式发电系统中的重要承载部件，支撑着整个碟式系统的聚光集热镜面。然而随着

4、功率的增加，其空间尺度及重量逐步增大，因此开展碟式机架拓扑优化和面向制造的轻量化设计尤为重要。本文以研制的38kW级碟式机架结构为对象，将面向制造的算法与优化技术相结合，开展了典型工况下的碟式机架结构拓扑优化研究。首先，阐述了渐进结构优化法（ESO）的基本方法及理念，研究了基于结构应力及节点位移准则下的优化单元灵敏度算法，分析了优化过程中存在的数值不稳定现象及面向制造的棋盘格效应过滤处理方法。同时针对桁架类结构的拓扑优化问题，根据其桁架结构特殊的直杆杆件性质，以及对优化区域内传力路径的分析，提出了根据杆件的布局来修正单元名义灵敏度的新思

5、路。通过在优化迭代时设置桁架优化约束，提高了优化的效率和桁架优化结果面向制造的性能。选取了两组典型多载荷作用下的连续体拓扑优化案例，验证了过滤算法对于抑制棋盘格效应的有效性。其次，针对桁架结构拓扑优化结果面向工程后处理问题，在ESO连续体拓扑优化结果的基础上，基于桁架结构的直杆形状及总体布局特征对拓扑区域进行分区，建立各区域的中心线提取模型。以各杆件偏离骨架线的角度最小为优化目标，建立杆件两两之间的连接节点位置二次优化模型，根据最优节点位置拟合得到整个桁架结构的若干骨架线方程。若干经典算例验证表明了桁架结构骨架线提取方法的有效性，能为后

6、续桁架结构各杆件的截面优化提供理论基础。最后，基于ANSYS14.0有限元软件仿真平台，建立了38kW碟式聚光器桁架结构优化的物理模型和初始优化区域。基于渐进结构优化法的相关理论，建立了面向制造的碟式聚光器机架结构多层次优化的流程和方法，通过对典型工况下碟式聚光器桁架结构的拓扑优化求解及优化结果后处理，得到了满足制造实际需求的新型设计结构。通过本文系统的研究，消除了拓扑优化中常见的数值不稳定现象，同时提出了面向制造的桁架制造约束和优化后处理方法，确定了碟式机架结构面向制造轻量化设计的基本流程，明确了机架结构的优化设计要点，为后续类机架结

7、构面向I制造的优化研究打下了基础。本文为我国今后碟式太阳能热发电装备的轻量化提供了重要依据，也丰富了拓扑优化在面向制造的应用领域。关键词：碟式太阳能；聚光器桁架结构；拓扑优化；渐进结构优化法；IIABSTRACTThethermalconversionefficiencyofsolardishsystemisveryhighandthewholesystemisenvironmentalfriendly,whichisconsideredasapromisinghighgradesolarthermalutilizationequipm

8、ent.Thetrussstructureisanimportantbearingpartofthesolardishgenerationsystem.Itsspatialscaleincreaseswit