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摘要

處于(yu)野外(wai)開闊地(di)帶的(de)(de)定(ding)日(ri)(ri)(ri)鏡(jing)(jing)在冰(bing)(bing)(bing)雹(bao)作用下極易遭(zao)受沖(chong)(chong)擊(ji)破壞。大量(liang)關于(yu)定(ding)日(ri)(ri)(ri)鏡(jing)(jing)的(de)(de)研(yan)究主要集中(zhong)在風荷(he)載(zai)的(de)(de)影響上，而(er)對(dui)(dui)冰(bing)(bing)(bing)雹(bao)沖(chong)(chong)擊(ji)下定(ding)日(ri)(ri)(ri)鏡(jing)(jing)的(de)(de)動(dong)力(li)(li)響應(ying)缺乏深入的(de)(de)了(le)解。本研(yan)究采用數值模(mo)(mo)擬方(fang)法研(yan)究了(le)中(zhong)國青藏高(gao)原地(di)區冰(bing)(bing)(bing)雹(bao)沖(chong)(chong)擊(ji)定(ding)日(ri)(ri)(ri)鏡(jing)(jing)的(de)(de)動(dong)態響應(ying)特征(zheng)。基(ji)于(yu)青藏高(gao)原等地(di)區歷史冰(bing)(bing)(bing)雹(bao)數據，建立了(le)考慮應(ying)變率效應(ying)和(he)脆性(xing)斷裂行(xing)為(wei)的(de)(de)冰(bing)(bing)(bing)雹(bao)動(dong)態本構模(mo)(mo)型并對(dui)(dui)其(qi)進行(xing)了(le)驗證，分析了(le)冰(bing)(bing)(bing)雹(bao)沖(chong)(chong)擊(ji)位置、冰(bing)(bing)(bing)雹(bao)直徑、定(ding)日(ri)(ri)(ri)鏡(jing)(jing)俯仰角(jiao)和(he)定(ding)日(ri)(ri)(ri)鏡(jing)(jing)板厚對(dui)(dui)定(ding)日(ri)(ri)(ri)鏡(jing)(jing)動(dong)態響應(ying)特性(xing)的(de)(de)影響。研(yan)究結果(guo)表明，冰(bing)(bing)(bing)雹(bao)沖(chong)(chong)擊(ji)位置對(dui)(dui)定(ding)日(ri)(ri)(ri)鏡(jing)(jing)位移(yi)影響顯著，對(dui)(dui)最大主應(ying)力(li)(li)影響較小(xiao)。定(ding)日(ri)(ri)(ri)鏡(jing)(jing)的(de)(de)應(ying)力(li)(li)和(he)位移(yi)隨(sui)冰(bing)(bing)(bing)雹(bao)粒徑的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大而(er)增(zeng)(zeng)(zeng)大，而(er)隨(sui)著定(ding)日(ri)(ri)(ri)鏡(jing)(jing)仰角(jiao)和(he)板厚的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大而(er)減小(xiao)。當冰(bing)(bing)(bing)雹(bao)直徑增(zeng)(zeng)(zeng)加到30 mm時，定(ding)日(ri)(ri)(ri)鏡(jing)(jing)的(de)(de)最大主應(ying)力(li)(li)超過其(qi)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(yang)能光(guang)熱發(fa)(fa)電技術具(ju)有(you)高(gao)(gao)聚(ju)光(guang)比、高(gao)(gao)熱流密度和(he)高(gao)(gao)穩定性(xing)的特點，可實現大(da)規(gui)模發(fa)(fa)電，是目前聚(ju)光(guang)太陽(yang)能發(fa)(fa)電最具(ju)前景的發(fa)(fa)展方(fang)向。為(wei)滿足生產工藝要求，大(da)型光(guang)熱發(fa)(fa)電站通(tong)常(chang)選址在年日照率(lv)90%以上(shang)的開(kai)(kai)闊地帶(dai)。從太陽(yang)能資源年總(zong)量看，青(qing)藏(zang)高(gao)(gao)原是我(wo)國(guo)太陽(yang)能資源最豐富的地區，在世界范(fan)圍(wei)內僅(jin)次于(yu)撒哈拉大(da)沙漠。同時(shi)，青(qing)藏(zang)高(gao)(gao)原是世界上(shang)海拔最高(gao)(gao)、范(fan)圍(wei)最廣的高(gao)(gao)原，對(dui)(dui)氣候變化(hua)非常(chang)敏感。由于(yu)青(qing)藏(zang)高(gao)(gao)原強烈的隆升(sheng)和(he)復(fu)雜(za)的地形，相比于(yu)中國(guo)其他地區，青(qing)藏(zang)高(gao)(gao)原地區出現冰雹和(he)雷(lei)(lei)暴(bao)的頻率(lv)最高(gao)(gao)。處于(yu)野(ye)外開(kai)(kai)闊地帶(dai)的定日鏡(jing)(jing)極易在雷(lei)(lei)暴(bao)大(da)風和(he)冰雹作(zuo)用下發(fa)(fa)生破壞，影(ying)響光(guang)學(xue)性(xing)能，造成(cheng)嚴重的經濟(ji)損失。目前，對(dui)(dui)定日鏡(jing)(jing)的研究主(zhu)要集中在風荷載(zai)效應和(he)風致振動(dong)問(wen)題，已有(you)的冰雹沖擊(ji)研究對(dui)(dui)象多集中在復(fu)合材料、金屬屋面板等構件。因此，有(you)必要開(kai)(kai)展冰雹沖擊(ji)下定日鏡(jing)(jing)結(jie)構動(dong)態響應和(he)破壞特征(zheng)的研究，為(wei)定日鏡(jing)(jing)抗雹設(she)計提供一定的參(can)考(kao)。

數據模型介紹

為(wei)驗(yan)證光(guang)滑粒子流體動力(li)學法（Smooth Particle Hydrodynamic，SPH）模擬冰(bing)雹(bao)撞(zhuang)擊(ji)以及冰(bing)雹(bao)本構模型選取(qu)的合(he)理性，選取(qu)英(ying)國皇家飛行器實(shi)驗(yan)機構（Royal Aircraft Establishment，RAE）進(jin)行的冰(bing)雹(bao)高(gao)速(su)沖擊(ji)鋁合(he)金平板實(shi)驗(yan)(Thomson和Hayduk，1971)進(jin)行驗(yan)證。結果如圖1所(suo)示。

圖1冰雹模型驗證

本文模(mo)(mo)擬(ni)結果中(zhong)鋁平(ping)板產生(sheng)的最大變形為(wei)11.7mm，在(zai)其他(ta)結果中(zhong)為(wei)11.2 mm，誤差為(wei)4.5%。不同模(mo)(mo)擬(ni)曲(qu)線整體(ti)擬(ni)合效果良(liang)好(hao)，說明本文采(cai)用的冰雹(bao)材料模(mo)(mo)型較(jiao)為(wei)真實地模(mo)(mo)擬(ni)冰雹(bao)撞擊損(sun)傷情(qing)況(kuang)。

根據定(ding)日(ri)鏡面(mian)板(ban)的(de)對稱性選取(qu)冰雹沖擊位置(zhi)，定(ding)日(ri)鏡仰(yang)角(jiao)a定(ding)義為反射鏡面(mian)與Y軸間的(de)夾角(jiao)，當(dang)鏡面(mian)平(ping)行于地面(mian)時，俯仰(yang)角(jiao)為0°，如圖2所示。

圖2計算工況示意圖

計算結果

1.冰(bing)雹(bao)沖擊位置影響(xiang)

圖(tu)3給出(chu)了定(ding)(ding)日鏡(jing)(jing)(jing)P0~P6位(wei)(wei)置(zhi)(zhi)依次(ci)受到(dao)冰雹沖擊(ji)后的(de)動態響(xiang)應(ying)(ying)結果。在(zai)冰雹沖擊(ji)瞬間(jian)，定(ding)(ding)日鏡(jing)(jing)(jing)的(de)位(wei)(wei)移(yi)(yi)(yi)和應(ying)(ying)力(li)就迅速增大，隨(sui)后位(wei)(wei)移(yi)(yi)(yi)隨(sui)時(shi)間(jian)增長緩(huan)慢，直至(zhi)趨于(yu)穩定(ding)(ding)，應(ying)(ying)力(li)幅值逐漸衰減。當(dang)冰雹沖擊(ji)定(ding)(ding)日鏡(jing)(jing)(jing)P1位(wei)(wei)置(zhi)(zhi)時(shi)，定(ding)(ding)日鏡(jing)(jing)(jing)的(de)位(wei)(wei)移(yi)(yi)(yi)響(xiang)應(ying)(ying)和應(ying)(ying)力(li)響(xiang)應(ying)(ying)幅值最大。相比于(yu)定(ding)(ding)日鏡(jing)(jing)(jing)P0和P1位(wei)(wei)置(zhi)(zhi)，定(ding)(ding)日鏡(jing)(jing)(jing)P2和P6位(wei)(wei)置(zhi)(zhi)受到(dao)冰雹沖擊(ji)后的(de)的(de)位(wei)(wei)移(yi)(yi)(yi)曲線(xian)波動更(geng)大。

圖3不同沖擊位置下定日鏡動態響應

2.冰雹直徑影響

圖(tu)4和圖(tu)5給出(chu)了定(ding)(ding)日(ri)鏡依次受(shou)到(dao)直徑(jing)(jing)D為(wei)10~50 mm的(de)(de)冰雹(bao)沖擊(ji)后的(de)(de)動(dong)態響應(ying)結果。當冰雹(bao)直徑(jing)(jing)不超過(guo)20 mm時，定(ding)(ding)日(ri)鏡的(de)(de)位(wei)(wei)移曲(qu)線(xian)和應(ying)力(li)(li)(li)(li)曲(qu)線(xian)變化較小；冰雹(bao)直徑(jing)(jing)達到(dao)30 mm后，定(ding)(ding)日(ri)鏡的(de)(de)位(wei)(wei)移曲(qu)線(xian)迅(xun)速下降，冰雹(bao)直徑(jing)(jing)繼續增大，位(wei)(wei)移和應(ying)力(li)(li)(li)(li)曲(qu)線(xian)斜率也越(yue)來越(yue)大，但最(zui)大主應(ying)力(li)(li)(li)(li)幅值出(chu)現時刻略有推(tui)遲。在冰雹(bao)直徑(jing)(jing)為(wei)30 mm時，其(qi)最(zui)大主應(ying)力(li)(li)(li)(li)超過(guo)定(ding)(ding)日(ri)鏡拉伸強度產生破壞。

圖4不(bu)同冰雹粒徑(jing)下定日鏡位(wei)移時程曲線

圖5不同冰(bing)雹粒徑(jing)下定日鏡最大主應力時(shi)程(cheng)曲線

3.定日鏡仰角影響

圖6和(he)(he)(he)圖7給出了定(ding)日鏡(jing)處于0°、15°、30°、45°和(he)(he)(he)60°等5種(zhong)仰角下(xia)，定(ding)日鏡(jing)在直(zhi)徑30 mm的(de)冰雹沖擊(ji)下(xia)的(de)動態響應結果。定(ding)日鏡(jing)仰角不超(chao)過15°時，定(ding)日鏡(jing)的(de)位(wei)移和(he)(he)(he)應力(li)曲線隨定(ding)日鏡(jing)仰角變化較小，最大(da)(da)主(zhu)應力(li)在P1和(he)(he)(he)P6位(wei)置(zhi)略有增加，而(er)在P2和(he)(he)(he)P5位(wei)置(zhi)略有減(jian)小；定(ding)日鏡(jing)仰角大(da)(da)于30°，定(ding)日鏡(jing)位(wei)移和(he)(he)(he)應力(li)響應迅速減(jian)小，位(wei)移和(he)(he)(he)應力(li)曲線斜率也越(yue)來越(yue)低，最大(da)(da)主(zhu)應力(li)峰值出現時刻也略有推遲。

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力時程曲線

4.定日(ri)鏡面(mian)板(ban)厚影(ying)響

圖6給出了不同(tong)板(ban)厚(hou)(hou)的(de)定(ding)日(ri)(ri)鏡(jing)(jing)(jing)(jing)在直徑(jing)30 mm的(de)冰雹沖(chong)擊下的(de)動態響應(ying)(ying)曲線。當(dang)定(ding)日(ri)(ri)鏡(jing)(jing)(jing)(jing)板(ban)厚(hou)(hou)不超過(guo)3 mm時(shi)(shi)，定(ding)日(ri)(ri)鏡(jing)(jing)(jing)(jing)的(de)位(wei)移(yi)(yi)隨(sui)時(shi)(shi)間逐(zhu)漸增大(da)(da)(da)，最大(da)(da)(da)主應(ying)(ying)力在沖(chong)擊初(chu)始階段(duan)就迅速增加并達到最大(da)(da)(da)，然(ran)后下降并在后期(qi)出現(xian)第二個(ge)應(ying)(ying)力峰值。當(dang)定(ding)日(ri)(ri)鏡(jing)(jing)(jing)(jing)板(ban)厚(hou)(hou)大(da)(da)(da)于3 mm后，定(ding)日(ri)(ri)鏡(jing)(jing)(jing)(jing)的(de)位(wei)移(yi)(yi)和(he)最大(da)(da)(da)主應(ying)(ying)力在初(chu)始階段(duan)基本(ben)為零，隨(sui)后隨(sui)時(shi)(shi)間逐(zhu)漸增大(da)(da)(da)，且隨(sui)著(zhu)板(ban)厚(hou)(hou)的(de)增加，定(ding)日(ri)(ri)鏡(jing)(jing)(jing)(jing)首個(ge)最大(da)(da)(da)主應(ying)(ying)力幅值出現(xian)時(shi)(shi)刻略微(wei)推遲(chi)。

圖8不同定日鏡板厚下定日鏡動態響應

結論

1)當冰雹沖擊(ji)位(wei)置(zhi)遠離定日鏡背面有吸盤支(zhi)撐(cheng)的(de)(de)位(wei)置(zhi)時，定日鏡的(de)(de)位(wei)移隨著距定日鏡板中心距離的(de)(de)增大而增大，但定日鏡表(biao)面的(de)(de)最大主應(ying)力(li)隨冰雹沖擊(ji)位(wei)置(zhi)的(de)(de)變化(hua)而略(lve)有增加。

2)隨著冰雹(bao)直(zhi)徑的(de)增(zeng)大(da)，定日(ri)鏡位移響應和最大(da)主(zhu)應力逐(zhu)漸增(zeng)大(da)，且增(zeng)長速率越來越快。當冰雹(bao)直(zhi)徑增(zeng)加(jia)到30 mm時，定日(ri)鏡的(de)位移迅速增(zeng)大(da)，最大(da)主(zhu)應力超過(guo)其(qi)抗拉強度。

3)當定日(ri)(ri)鏡(jing)(jing)仰角小(xiao)于15°時，定日(ri)(ri)鏡(jing)(jing)的(de)位移和最大(da)(da)主應力(li)(li)隨(sui)(sui)仰角的(de)增(zeng)大(da)(da)而(er)略有變化，而(er)冰雹沖擊位置位于定日(ri)(ri)鏡(jing)(jing)邊緣時，其位移和應力(li)(li)隨(sui)(sui)定日(ri)(ri)鏡(jing)(jing)仰角的(de)增(zeng)加而(er)增(zeng)大(da)(da)。定日(ri)(ri)鏡(jing)(jing)仰角大(da)(da)于15°時，定日(ri)(ri)鏡(jing)(jing)的(de)位移和最大(da)(da)主應力(li)(li)隨(sui)(sui)定日(ri)(ri)鏡(jing)(jing)仰角的(de)增(zeng)大(da)(da)而(er)減小(xiao)，衰減率基(ji)本一致。

4)隨著定(ding)日鏡(jing)厚度(du)(du)的(de)增加(jia)(jia)，定(ding)日鏡(jing)表面的(de)應(ying)力(li)集中區逐漸減(jian)小(xiao)，定(ding)日鏡(jing)位移和最大主應(ying)力(li)應(ying)力(li)值減(jian)小(xiao)，但衰減(jian)幅(fu)度(du)(du)隨定(ding)日鏡(jing)板厚增加(jia)(jia)逐漸減(jian)小(xiao)。對(dui)于(yu)本研究中使用(yong)的(de)定(ding)日鏡(jing)，當冰(bing)雹直徑大于(yu)30mm時，定(ding)日鏡(jing)板的(de)厚度(du)(du)不應(ying)低于(yu)3 mm以抵抗冰(bing)雹的(de)沖擊。

參考文獻：

D.Saini,B.Shafei,Prediction of extent of damage to metal roof panels under hail impact.Eng.Struct,187(2019)362-371.

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

R.G.Thomson,R.J.Hayduk.An improved analytical treatment of the denting of thin sheets by hail.NASA technical note D-6102,Washington,DC,January(1971)1–36.

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).

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

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