槽式太阳能聚光器支架结构的拓扑优化设计研究

在满足硬度等一系列条件的情况下，在给定的设计空间里，开凿，挖洞，把不需要的东西全部去掉。找到更好的结构方式，让产品在要求中获得最成功的样子。拓扑优化具有其他优化方式无法具有的优点，比如可以对基本结构的布局进行修改，模拟出概念性设计的结构方案给设计者，使设计更具备实用性和经济性，在优化拓扑结构的过程中，设计者甚至不用去管拓扑结构形态，仅需提出设计范围，就可以寻找出最佳的结构分布状态，设计人员通过了解整个设计的结构特点，然后针对一个点进行设计。这种设计方式最终要达到的目的是在满足一系列要求的情况下，使结构的性能达到接近理想的状态。

1.2结构拓扑优化设计的原理和方法

就目前来说，连续体结构是拓扑优化设计的主流对象。这种方式的优化需要化整为零，把整体分成若干个小部分，然后根据所提出的基本要求和要达到的条件对这若干个小部分进行择优选择，形成犹如蜂窝一样的连续体，最终获得连续体的最优设计，目前这种优化方式比较适用的方法有，，渐进结构优化方法，均匀化方法以及变密度方法。

1.2.1渐进结构的优化方法

具体操作比较简单，那就是对各种材料精挑细选，剔除糟粕，剩余的结构也就趋向于标准了。在这种优化迭代的计算方法中，用零来表示不存在的单元材料。同理，存在的单元材料用一进行表示，这种算法可以用有限元法，在计算机上通过迭代过程实现。这种算法应用范围广，而且结构的单元数规模相当巨大。

1.2.2均匀优化方法的应用

均匀优化的方法比较理论化，要用切实可行的方法应用在学科中，把细小的东西加入到应用结构的材料中，其中改变的是微小结构单胞大小，整体的材料密度和弹性由局部材料的大小和方式决定，单胞大小的整改可以对微结构进行改变，如此便扩大了涉及范围，从而对结构拓扑优化成功。

1.2.3变密度方法

变密度方法是比较常见的在拓扑设计连续体结构所用的方法。是一种材料勾画效果，通过分析材料物理和密度之间的联系，不许进行拓扑设计，只是考虑合理布置材料，将整体分成有限的单元后，然后看体积的要求，让每一个小部分的密度尽量一样，每个单位的密度是改变的，把结构的平顺柔软度减小。

2.槽式聚光器支架介绍以及拓扑优化的意义

槽式聚光器是一个接一个排列的，上面有一个个聚光镜对太阳光进行聚焦，对集热管进行加热，把里面的水加热后形成水蒸气，利用气压在催动发电机工作。聚光器是由驱动、传感器、反射镜、金属支架、吸收管和控制器等组成的太阳能聚热装置。而在整个聚光器的总体重量中，支架结构占有很高的比重，重量既增加了成本又增加了系统的负重，而且支架的强度和刚度对整个系统的强度和刚度都有影响，所以优化支架对于整个系统的好处是不言而喻的。因为拓扑优化对于轻量化的优化能力相对于其他优化方式更好，所以选用拓扑优化对聚光器的支架结构进行轻量化的优化。

3.太阳能聚光器支架拓扑优化设计方法

在选定拓扑优化设计为设计方法之后，就要确定支架和镜子的连接位置，优化结果的好坏取决于镜子的支撑位置对结构的受力状况，所以确定了镜子的位置之后就可以建立拓扑优化的模型。总体的优化流程可概括为：先选定拓扑优化方法进行优化设计，然后选定优化设计对象，在对镜子支点位置设计优化，接着对反射镜支架结构拓扑优化设计，最后对拓扑优化结果可制造化进行处理。

上文提到了各种拓扑优化的方法，最普通不过的是变密度法，这种方法得到的部分密度是数字规则分布的，有助于最后解决可制造的问题，所以，我们着重讨论一下变密度法的优化方式，借助合适的工具才能使用这个方法。可以用optistrtct进行工作，然后用可以利用三维视图的工具构建空间，在过程中不断地进行修复和改善，力求没有问题、一次通过。接着，把优化空间再进行处理，最后做出这个模型。模型建立完成后，需要通过拓扑优化计算，对结果进行分析考证，看结果是否能合理地运用且实际可行。如果结果合理，就能够进行下一项克制造化的处理，并且进行有限元的分析，最终实现结构的轻量化；如果结果不合理，那么就要一切从新来过，直到结果合理为止。

聚光器的支架拓扑优化的流程可以概括为：首先根据设计要求建立cad模型，然后建立pe模型，分析载荷和边界条件，接着对结构进行分析，对参数的定义进行优化，下面才进入到拓扑优化，再建立一个cad模型，并再次对结构进行分析，结果合理后结合工程实践进行设计。

4.结论

由此我们可以得出拓扑优化的严谨性，安全性，可用性，以及对软件技术的要求和对设计者的技术的要求，只有遵循这些要求，才能更好地进行太阳能聚光器支架结构的拓扑优化设计。

参考文献

[1]孔祥兵. 槽式太阳能聚光器支架结构的拓扑优化设计[D].重庆大学，2012.

[2]管勋. 槽式太阳能热发电系统中聚光装置的结构分析与优化[D].华南理工大学，2013.

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