TTC桁架结构参数化建模与数值分析软件研发

刘 武，买买提明·艾尼，崔东岳，韩 会

1 引言

以光-热为主的热发电系统分为：塔式、碟式和槽式等太阳能热发电系统[1]。槽式太阳能根据聚光器桁架结构类型分为三类：扭矩管式，扭矩盒式以及空间桁架式。综合比较三类桁架结构聚光器的最大驱动面积、几何聚光比、单位面积重量和峰值光学效率等性能[2]，可知扭矩盒式聚光器性能较优。聚光器桁架结构的工作条件比较复杂，其具有阵列结构和杆件数量多等特点，因此设计时必须根据极端工况条件进行详细的结构设计和动力学分析等，从而尽可能避免极端环境造成的毁灭性连带灾难。但是目前使用的传统桁架结构设计方法还远远不能满足设计精度高、准确、最佳和快速的现代设计需求。因此，创建参数化建模和数值分析的系统对加快聚光器桁架结构的研究显得十分有意义。目前国内有许多学者对槽式太阳能聚光器桁架结构进行了分析与研究。文献[3]运用计算流体力学理论模拟了槽式太阳能聚热器在不同角度、不同风载以及不同的反光镜片间隙的情况下的运行情况。文献[4]利用ANSYS Workbench对槽式太阳能在风场下的运行情况进行了流固耦合分析，并分析了不同仰角下聚光器的模态频率与振型。文献[5]利用Pro/E和ADAMS，对槽式太阳能聚光器建立了动力学仿真分析。以上可知虽然已有许多CAD/CAE软件可进行3D建模和数值分析，但是需要熟悉CAD/CAE软件的专门人员来操作实现。为解决这个难题，我们曾对槽式太阳能空间桁架式支撑结构进行了参数化建模和数值分析，建立了面向一般用户的参数化数值建模和分析软件平台[6]。

在以上软件平台的基础上对槽式太阳能TTC（TorqueCassette Concentrator扭矩盒式聚光器）桁架结构及其关键尺寸参数进行了详细研究，运用ANSYS的参数化设计语言APDL对其进行参数化建模。而后通过VisualStudio2008平台C++语言结合ANSYS提供的开发接口对其进行二次开发，添加了新的TTC桁架结构软件集成，进一步完善和升级了具有良好人机界面的槽式太阳能参数化建模和数值分析系统。

2 系统架构

2.1 系统工作原理

槽式太阳能TTC桁架结构参数化建模和数值分析系统是利用Microsoft Visual studio 2008软件采用C++语言自主编写的一个参数化建模和有限元分析平台。系统具有友好的人机交互性，能够在人机界面更改或选择槽式太阳能结构参数、材料属性、网格尺寸、边界条件、载荷以及结果显示云图类型等，然后生成相应APDL命令流的宏文件，并通过ANSYS的批处理模式进行外部调用APDL，实现ANSYS后台运行，完成槽式太阳能的有限元分析。通过VC++编写的图像调用程序，可对分析结果图像进行截取显示在输出界面上。

系统根据分析进程分为前处理模块，主处理模块和后处理模块[7]。前处理模块包含两个部分。第一部分，对应模型结构主参数输入，副参数输入和材料属性设置等，并通过主参数与副参数之间的相关算法算出所有点线面之间尺寸关系，生成相应APDL命令流并保存为宏文件，然后自动进行ANSYS后台调用生成几何模型。第二部分，对已形成的模型选择输入网格类型和属性，施加边界条件和添加载荷等，并生成相应APDL命令流，自动进行ANSYS后台调用，自动划分网格和完成边界条件的设定。主处理模块包括数值算法的选择和相应的计算条件的设定等，并生成APDL宏文件后直接调用ANSYS对所生成有限元模型进行数值分析。后处理模块包括对分析结果的可视化处理，结果显示云图类型，视角参数等，生成APDL宏文件调入ANSYS进行结果处理，然后对结果进行数据图像提取，返回图形输出界面，显示图像。三大模块运行原理，如图1所示。

图1 系统工作原理图Fig.1 Working Principle Chart of the System

2.2 系统用户界面

系统建立了四个用户操作界面：第一个为主界面；第二个为前处理界面；第三个为主处理界面；第四个为后处理界面。四个界面中，主界面为父窗体，其余三个界面为子窗体，四者通过事件响应连接在一起，如图2所示。四大用户界面均由Visual studio 2008软件Windows Forms应用程序生成，界面中各类按钮，文本框和标签等控件均直接从工具箱Toolbox拖曳生成，然后单击其属性窗口，对相应控件编辑事件处理程序，即可生成所需控件功能。同时在同一解决方案下建立APDL文本程序，结果图像显示程序，再通过系统调用程序链接相应程序文件，进行平台功能的正常运行。

图2 用户界面组成Fig.2 User Interface Composition

2.3 C++与ANSYS程序接口

在用户界面根据所需分析类型，调整相应参数，导入程序，自动生成相应分析的APDL命令流，然后利C++与ANSYS间的程序接口，开启ANSYS批量后处理模式，进行相应有限元分析计算。软件平台与ANSYS后台调用程序接口使用Process类[7]进行创建，其具体代码如下：

Process^ansysProcess；//定义进程对象

ansysProcess=gcnewProcess（）；

ansysProcess-＞Exited+=gcnew EventHandler（this，&ANSYSwork::stop）；

ansysProcess-＞EnableRaisingEvents=true；//开启进程事件响应

ansysProcess-＞StartInfo-＞FileName=root；ansysProcess-＞StartInfo-＞Arguments=“-b-p ane3flds-i code.in-o Info.out”；//ANSYS 命令，其中-b指定批处理模式，-p ane3flds指定求解器为ansys lsdya，-i code.in指定code.in为APDL输入文本，-oInfo.out指定Info.out为输出文本。

ansysProcess-＞StartInfo-＞WindowStyle=System::Diagnostics::Process WindowStyle::Hidden；

ansysProcess-＞Start（）；//进程启动

3 软件系统数值分析实例

3.1 TTC桁架结构参数化

3.1.1 TTC桁架结构主参数

槽式太阳聚光器主要结构部件有抛物形反光镜，集热管和桁架支撑结构等。聚光器抛物形反光镜开口宽度为A，抛物线焦距为F，扭矩盒宽为V，高为H，集热管直径为d，抛物曲线方程[8]为：

桁架支撑结构横截面形状，如图3所示。通过以上分析，确定了TTC桁架整体结构的主参数，如表1所示。TTC桁架结构材料属性，如表2所示。

图3 TTC桁架结构横截面示意图Fig.3 DCross Section Diagram of TTC Truss Structure

表 1 TTC主要结构参数Tab.1 Main Structure Parameters of the TTC

表 2 TTC材料属性Tab.2 Materials Properties of the TTC

3.1.2 TTC桁架结构副参数及其与主参数的算法联系

将TTC桁架结构的开口宽度A、焦距F、扭矩盒的宽度V与高H、主悬臂与扭矩盒的夹角α、抛物镜面最低点与扭矩盒桁架上端间距离D等设定为主参数，建立主参数与桁架其它结构副参数间的关系式，并以关键点坐标的形式表示，如表3所示。

表 3 TTC桁架结构横截面关键点坐标值Tab.3 Coordinate Values of TTC Truss Struture Cross Section Key Points

3.1.3 TTC桁架结构参数化设置与载荷边界条件施加

TTC桁架其长度尺寸远大于截面尺寸，且一般受轴向载荷和弯矩，因此选用梁单元（Beam188单元）来建模。反光镜面其厚度远远小于其长宽，且主要承受平面内载荷和法向载荷，因此选用壳单元（Shell181单元）进行建模。立柱和端板等实体部分采用实体单元（Solid186单元）进行建模。

整个模型中主要有两大接触区域：（1）悬臂与反光镜面之间接触；（2）扭矩盒两端轴与支撑立柱之间的接触，通过设置接触约束进行模拟。悬臂与镜面之间的接触为点—面接触，目标面为反光镜面，采用ANSYS中Targe170单元建模；接触面为悬臂端点，采用Conta175单元建模。轴与立柱之间的接触为面—面接触，轴接触面采用Targe170单元建模；立柱接触面采用Conta174单元建模。

根据新疆某公司提供的槽式太阳能聚光器工况情况，考虑新疆各地的恶劣环境条件，本软件引入槽式太阳能受到风载，雪载以及自重等加载方式，实现对槽式太阳能聚光器在极端环境下的受力情况的计入，并实现了静力学分析，动力学分析等复杂数值分析能力。以下为载荷类型的简要介绍。

（1）风载

由自由气流的风速施加在单位面积上的风压[9]为：

式中：ρ— 空气密度，kg/m3；U—风速，m/s；ω—风压，kg/m2。

由于空气密度ρ和重度γ的关系为：

式中：γ—重度，N/m3。

则可得风速-风压关系公式：

γ和g的值随海拔的变化而不同[10]，根据相关数据可知新疆乌鲁木齐的风速—风压公式为：

槽式太阳能聚光器需考虑其在8级风速下的受力情况，则此处取8级风速，取U为20.7m/s，则风载大小约为238Pa，风载以静载的形式施加在镜面上。

（2）雪载

雪载是由积雪的重力堆积在建筑或构筑物外表面所形成的气象载荷。雪载荷作用在反光镜上的压力公式为：

式中：ρs—积雪密度，kg/m3；g—重力加速度，m/s2；h—积雪厚度，m。

新疆乌鲁木齐地处海拔较高位置，整个冬季和春季雪量大，持续时间长，容易形成大面积的堆积雪。此处取积雪平均密度为75kg/m3，积雪厚度为0.1m，则雪载大小为73.5Pa，以静载的形式施加在镜面上。

（3）自重载荷

因为TTC桁架结构主要由杆件组成，本身会产生较大重力，对其有限元分析会产生影响，所以应根据实际情况对其施加自重载荷。

3.2 分析系统功能实现

在用户界面窗口对TTC桁架结构的主参数进行输入，并通过主参数与其它副参数间算法关系，建立起聚光器桁架结构整体尺寸关系的数学模型。同时调整聚光器旋转的仰角、载荷、边界条件等以达到对新疆复杂的气候环境的多工况模拟。参数化建模与数值分析系统主要界面，如图4所示。因篇幅有限未对其它界面列出。系统实现对聚光器旋转仰角大小和单元网格密度控制，如图5所示。

图 4 TTC桁架结构参数化建模与数值分析系统Fig.4 Parametric Modeling and Numerical Analysis of TTC Truss Structure

图5 不同仰角和不同网格密度壳单元的聚光器模型Fig.5 Different Elevations and Different Shell Element Sizes of Condenser Model

图6 静力学分析云图Fig.6 Clouds of Static Analysis

图7 模态分析输出界面Fig.7 Output Windows of Modal Analysis

取90°仰角的聚光器模型，对TTC桁架结构进行静力学分析，施加风载雪载和自重载荷，对立柱两端进行全约束，得出分析云图，如图6所示。可看出其变形量和反作用力主要集中在镜面边缘和中部区域，相应部位桁架结构变形量亦较大，需对相应部位桁架结构加强刚度与强度。对聚光器进行无预应力的固有模态分析，分析前六阶固有频率，得出TTC桁架结构模型第一阶振型为聚光器整体沿Z轴的移动；第二阶振型为聚光器桁架结构沿Z轴的的转动和反光镜边缘的上下摆动；第三阶到第六阶振型均以反光镜边缘部分挥舞摆动为主。其模态分析，如图7所示。模态分析固有频率，如表4所示。同时软件系统可对TTC桁架结构进行谐响应分析、屈曲分析以及谱分析，其动力学分析，如图8所示。

表4 模态分析固有频率Tab.4 Natural Frequencies of Modal Analysis

图8 动力学分析输出界面Fig.8 Output Windows of Dynamics Analysis

4 结论

（1）利用Visual studio 2008软件开发平台C++编程模块封装ANSYS二次开发工具APDL，实现了对ANSYS核心程序的调用，结合VS2008优良的软件开发功能和ANSYS二次开发工具APDL参数化建模能力，对软件系统进行了总体架构设计。

（2）编程实现了槽式太阳能TTC桁架结构的参数化建模与数值分析软件，可以灵活建立各类参数和分析类型的模型并进行控制，避免了建模过程中的数据流失，大大缩短了槽式太阳能TTC桁架结构的有限元建模时间，保证了有限元分析的可靠性。

（3）通过对槽式太阳能TTC桁架结构的实例操作建模和数值分析，验证了该软件系统的参数化建模功能的有效性、方便性和适用性。