太陽能碟式聚光器桁架結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化研究

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1、密級：非密中圖分類號：TH113碩士學位論文太陽能碟式聚光器桁架結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化研究研究生：程自然導師：彭佑多學科：機械工程研究方向：機電系統(tǒng)動力學與控制2018年5月AThesisSubmittedfortheDegreeofMasterResearchonthetopologyoptimizationofsolardishconcentratortrussstructureCandidate：ChengZiranSupervisorandRank：ProfessorPengYouduo太陽能碟式聚光器桁架結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化研究學位類型學歷碩士

2、學科(專業(yè)學位類別)機械工程作者姓名程自然作者學號15010301027彭佑多教授導師姓名及職稱劉繁茂教授實踐導師姓名及職稱學院名稱機電工程學院論文提交日期2018年月學位授予單位學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名：日期：2018年5月27日學位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學位論文作者

3、完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或機構(gòu)送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)湖南科技大學可以將本學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。涉密論文按學校規(guī)定處理。作者簽名：日期：2018年5月27日導師簽名：日期：2018年5月27日摘要碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)熱轉(zhuǎn)換效率高且節(jié)能環(huán)保，被認為是一種前景廣闊的高品位太陽能熱利用裝備。其中聚光器桁架結(jié)構(gòu)是整個碟式發(fā)電系統(tǒng)中的重要承載部件，支撐著整個碟式系統(tǒng)的聚光集熱鏡面。然而隨著

4、功率的增加，其空間尺度及重量逐步增大，因此開展碟式機架拓撲優(yōu)化和面向制造的輕量化設計尤為重要。本文以研制的38kW級碟式機架結(jié)構(gòu)為對象，將面向制造的算法與優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合，開展了典型工況下的碟式機架結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化研究。首先，闡述了漸進結(jié)構(gòu)優(yōu)化法（ESO）的基本方法及理念，研究了基于結(jié)構(gòu)應力及節(jié)點位移準則下的優(yōu)化單元靈敏度算法，分析了優(yōu)化過程中存在的數(shù)值不穩(wěn)定現(xiàn)象及面向制造的棋盤格效應過濾處理方法。同時針對桁架類結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化問題，根據(jù)其桁架結(jié)構(gòu)特殊的直桿桿件性質(zhì)，以及對優(yōu)化區(qū)域內(nèi)傳力路徑的分析，提出了根據(jù)桿件的布局來修正單元名義靈敏度的新思

5、路。通過在優(yōu)化迭代時設置桁架優(yōu)化約束，提高了優(yōu)化的效率和桁架優(yōu)化結(jié)果面向制造的性能。選取了兩組典型多載荷作用下的連續(xù)體拓撲優(yōu)化案例，驗證了過濾算法對于抑制棋盤格效應的有效性。其次，針對桁架結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化結(jié)果面向工程后處理問題，在ESO連續(xù)體拓撲優(yōu)化結(jié)果的基礎上，基于桁架結(jié)構(gòu)的直桿形狀及總體布局特征對拓撲區(qū)域進行分區(qū)，建立各區(qū)域的中心線提取模型。以各桿件偏離骨架線的角度最小為優(yōu)化目標，建立桿件兩兩之間的連接節(jié)點位置二次優(yōu)化模型，根據(jù)最優(yōu)節(jié)點位置擬合得到整個桁架結(jié)構(gòu)的若干骨架線方程。若干經(jīng)典算例驗證表明了桁架結(jié)構(gòu)骨架線提取方法的有效性，能為后

6、續(xù)桁架結(jié)構(gòu)各桿件的截面優(yōu)化提供理論基礎。最后，基于ANSYS14.0有限元軟件仿真平臺，建立了38kW碟式聚光器桁架結(jié)構(gòu)優(yōu)化的物理模型和初始優(yōu)化區(qū)域?；跐u進結(jié)構(gòu)優(yōu)化法的相關理論，建立了面向制造的碟式聚光器機架結(jié)構(gòu)多層次優(yōu)化的流程和方法，通過對典型工況下碟式聚光器桁架結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化求解及優(yōu)化結(jié)果后處理，得到了滿足制造實際需求的新型設計結(jié)構(gòu)。通過本文系統(tǒng)的研究，消除了拓撲優(yōu)化中常見的數(shù)值不穩(wěn)定現(xiàn)象，同時提出了面向制造的桁架制造約束和優(yōu)化后處理方法，確定了碟式機架結(jié)構(gòu)面向制造輕量化設計的基本流程，明確了機架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計要點，為后續(xù)類機架結(jié)

7、構(gòu)面向I制造的優(yōu)化研究打下了基礎。本文為我國今后碟式太陽能熱發(fā)電裝備的輕量化提供了重要依據(jù)，也豐富了拓撲優(yōu)化在面向制造的應用領域。關鍵詞：碟式太陽能；聚光器桁架結(jié)構(gòu)；拓撲優(yōu)化；漸進結(jié)構(gòu)優(yōu)化法；IIABSTRACTThethermalconversionefficiencyofsolardishsystemisveryhighandthewholesystemisenvironmentalfriendly,whichisconsideredasapromisinghighgradesolarthermalutilizationequipm

8、ent.Thetrussstructureisanimportantbearingpartofthesolardishgenerationsystem.Itsspatialscaleincreaseswit