摘要

處于野外開闊地帶的定日鏡在冰雹作用下極易遭受沖擊破壞。大量關(guān)于定日鏡的研究主要集中在風(fēng)荷載的影響上，而對冰雹沖擊下定日鏡的動力響應(yīng)缺乏深入的了解。本研究采用數(shù)值模擬方法研究了中國青藏高原地區(qū)冰雹沖擊定日鏡的動態(tài)響應(yīng)特征?；谇嗖馗咴鹊貐^(qū)歷史冰雹數(shù)據(jù)，建立了考慮應(yīng)變率效應(yīng)和脆性斷裂行為的冰雹動態(tài)本構(gòu)模型并對其進行了驗證，分析了冰雹沖擊位置、冰雹直徑、定日鏡俯仰角和定日鏡板厚對定日鏡動態(tài)響應(yīng)特性的影響。研究結(jié)果表明，冰雹沖擊位置對定日鏡位移影響顯著，對最大主應(yīng)力影響較小。定日鏡的應(yīng)力和位移隨冰雹粒徑的增大而增大，而隨著定日鏡仰角和板厚的增大而減小。當(dāng)冰雹直徑增加到30 mm時，定日鏡的最大主應(yīng)力超過其抗拉強度。

abstract

Heliostats are prone to be destroyed under the action of thunderstorm and hail in the wild.Many studies on heliostat mainly focused on the effect of wind load,while it is a lack of in-depth understanding on the dynamic responses of heliostats under hail impacting.This study performs the dynamic response of heliostat under hail impacting in Tibetan Plateau of China by numerical simulation.A hail dynamic constitutive model considering strain rate effect and brittle fracture behavior was established and verified based on historical hail statistics,and the effects of hail impacting position,hail size,elevation angle and thickness of heliostat on the dynamic response characteristics were analyzed.The research results demonstrate that the impact position has a significant influence on the displacement of heliostat,but a little effect on the maximum stress.The stress and displacement of the heliostat increase with the increase of hail size,while decrease with the increase of the elevation angle and thickness of heliostat.When the hail diameter increases to 30 mm,the maximum principal stress of heliostat exceed its tensile strength.The results are useful and interesting to researchers who can reference the obtained results to predict the heliostat safety under hail impacting.

研究背景

塔式太陽能光熱發(fā)電技術(shù)具有高聚光比、高熱流密度和高穩(wěn)定性的特點，可實現(xiàn)大規(guī)模發(fā)電，是目前聚光太陽能發(fā)電最具前景的發(fā)展方向。為滿足生產(chǎn)工藝要求，大型光熱發(fā)電站通常選址在年日照率90%以上的開闊地帶。從太陽能資源年總量看，青藏高原是我國太陽能資源最豐富的地區(qū)，在世界范圍內(nèi)僅次于撒哈拉大沙漠。同時，青藏高原是世界上海拔最高、范圍最廣的高原，對氣候變化非常敏感。由于青藏高原強烈的隆升和復(fù)雜的地形，相比于中國其他地區(qū)，青藏高原地區(qū)出現(xiàn)冰雹和雷暴的頻率最高。處于野外開闊地帶的定日鏡極易在雷暴大風(fēng)和冰雹作用下發(fā)生破壞，影響光學(xué)性能，造成嚴重的經(jīng)濟損失。目前，對定日鏡的研究主要集中在風(fēng)荷載效應(yīng)和風(fēng)致振動問題，已有的冰雹沖擊研究對象多集中在復(fù)合材料、金屬屋面板等構(gòu)件。因此，有必要開展冰雹沖擊下定日鏡結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)和破壞特征的研究，為定日鏡抗雹設(shè)計提供一定的參考。

數(shù)據(jù)模型介紹

為驗證光滑粒子流體動力學(xué)法（Smooth Particle Hydrodynamic，SPH）模擬冰雹撞擊以及冰雹本構(gòu)模型選取的合理性，選取英國皇家飛行器實驗機構(gòu)（Royal Aircraft Establishment，RAE）進行的冰雹高速沖擊鋁合金平板實驗(Thomson和Hayduk，1971)進行驗證。結(jié)果如圖1所示。

圖1冰雹模型驗證

本文模擬結(jié)果中鋁平板產(chǎn)生的最大變形為11.7mm，在其他結(jié)果中為11.2 mm，誤差為4.5%。不同模擬曲線整體擬合效果良好，說明本文采用的冰雹材料模型較為真實地模擬冰雹撞擊損傷情況。

根據(jù)定日鏡面板的對稱性選取冰雹沖擊位置，定日鏡仰角a定義為反射鏡面與Y軸間的夾角，當(dāng)鏡面平行于地面時，俯仰角為0°，如圖2所示。

圖2計算工況示意圖

計算結(jié)果

1.冰雹沖擊位置影響

圖3給出了定日鏡P0~P6位置依次受到冰雹沖擊后的動態(tài)響應(yīng)結(jié)果。在冰雹沖擊瞬間，定日鏡的位移和應(yīng)力就迅速增大，隨后位移隨時間增長緩慢，直至趨于穩(wěn)定，應(yīng)力幅值逐漸衰減。當(dāng)冰雹沖擊定日鏡P1位置時，定日鏡的位移響應(yīng)和應(yīng)力響應(yīng)幅值最大。相比于定日鏡P0和P1位置，定日鏡P2和P6位置受到冰雹沖擊后的的位移曲線波動更大。

圖3不同沖擊位置下定日鏡動態(tài)響應(yīng)

2.冰雹直徑影響

圖4和圖5給出了定日鏡依次受到直徑D為10~50 mm的冰雹沖擊后的動態(tài)響應(yīng)結(jié)果。當(dāng)冰雹直徑不超過20 mm時，定日鏡的位移曲線和應(yīng)力曲線變化較??；冰雹直徑達到30 mm后，定日鏡的位移曲線迅速下降，冰雹直徑繼續(xù)增大，位移和應(yīng)力曲線斜率也越來越大，但最大主應(yīng)力幅值出現(xiàn)時刻略有推遲。在冰雹直徑為30 mm時，其最大主應(yīng)力超過定日鏡拉伸強度產(chǎn)生破壞。

圖4不同冰雹粒徑下定日鏡位移時程曲線

圖5不同冰雹粒徑下定日鏡最大主應(yīng)力時程曲線

3.定日鏡仰角影響

圖6和圖7給出了定日鏡處于0°、15°、30°、45°和60°等5種仰角下，定日鏡在直徑30 mm的冰雹沖擊下的動態(tài)響應(yīng)結(jié)果。定日鏡仰角不超過15°時，定日鏡的位移和應(yīng)力曲線隨定日鏡仰角變化較小，最大主應(yīng)力在P1和P6位置略有增加，而在P2和P5位置略有減??；定日鏡仰角大于30°，定日鏡位移和應(yīng)力響應(yīng)迅速減小，位移和應(yīng)力曲線斜率也越來越低，最大主應(yīng)力峰值出現(xiàn)時刻也略有推遲。

圖6不同定日鏡仰角下定日鏡位移時程曲線

圖7不同定日鏡仰角下定日鏡最大主應(yīng)力時程曲線

4.定日鏡面板厚影響

圖6給出了不同板厚的定日鏡在直徑30 mm的冰雹沖擊下的動態(tài)響應(yīng)曲線。當(dāng)定日鏡板厚不超過3 mm時，定日鏡的位移隨時間逐漸增大，最大主應(yīng)力在沖擊初始階段就迅速增加并達到最大，然后下降并在后期出現(xiàn)第二個應(yīng)力峰值。當(dāng)定日鏡板厚大于3 mm后，定日鏡的位移和最大主應(yīng)力在初始階段基本為零，隨后隨時間逐漸增大，且隨著板厚的增加，定日鏡首個最大主應(yīng)力幅值出現(xiàn)時刻略微推遲。

圖8不同定日鏡板厚下定日鏡動態(tài)響應(yīng)

結(jié)論

1)當(dāng)冰雹沖擊位置遠離定日鏡背面有吸盤支撐的位置時，定日鏡的位移隨著距定日鏡板中心距離的增大而增大，但定日鏡表面的最大主應(yīng)力隨冰雹沖擊位置的變化而略有增加。

2)隨著冰雹直徑的增大，定日鏡位移響應(yīng)和最大主應(yīng)力逐漸增大，且增長速率越來越快。當(dāng)冰雹直徑增加到30 mm時，定日鏡的位移迅速增大，最大主應(yīng)力超過其抗拉強度。

3)當(dāng)定日鏡仰角小于15°時，定日鏡的位移和最大主應(yīng)力隨仰角的增大而略有變化，而冰雹沖擊位置位于定日鏡邊緣時，其位移和應(yīng)力隨定日鏡仰角的增加而增大。定日鏡仰角大于15°時，定日鏡的位移和最大主應(yīng)力隨定日鏡仰角的增大而減小，衰減率基本一致。

4)隨著定日鏡厚度的增加，定日鏡表面的應(yīng)力集中區(qū)逐漸減小，定日鏡位移和最大主應(yīng)力應(yīng)力值減小，但衰減幅度隨定日鏡板厚增加逐漸減小。對于本研究中使用的定日鏡，當(dāng)冰雹直徑大于30mm時，定日鏡板的厚度不應(yīng)低于3 mm以抵抗冰雹的沖擊。

參考文獻：

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https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2019.02.036.

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R.G.Thomson,R.J.Hayduk.An analytical evaluation of the denting of airplane surfaces by hail.NASA technical note D-5363,Washington,DC,August(1961)1–36.

文章引用格式：

[1]Baifeng Ji*,Qian Xiong,Panpan Xing,Penghui Qiu.Dynamic response characteristics of heliostat under hail impacting in Tibetan Plateau of China[J].Renewable Energy,2022,190:261-273.(JCR Q1,IF:8.7).

https://doi.org/10.1016/j.renene.2022.03.132.

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