大功率碟式太阳能热发电系统关键螺栓连接强度分析

【摘要】：大功率碟式太阳能热发电系统具有结构复杂、空间尺寸与重量大、安装环境恶劣、载荷随机性强等特点,而对载荷作用下的变形及安全稳定性有严格要求,发电系统钢构机架、聚光器网架、立柱、桁架等关键结构均由高强度螺栓连接,连接螺栓承载和传递着整个发电系统所有载荷,是确保发电系统安全、稳定、高效运行的关键,因此开展大功率碟式太阳能热发电系统关键螺栓连接强度分析具有重要的工程意义。本文简要分析了大功率碟式太阳能热发电系统结构连接特点,明确了U型体-桁架螺栓连接、聚光器-U型体螺栓连接、立柱-基础螺栓连接是其关键螺栓连接;开展了有限元非线性接触理论数值计算方法分析,确定了非线性参数设置及预紧力施加方法;分析了U型体-桁架螺栓连接、聚光器-U型体螺栓连接、立柱-基础螺栓连接特点并进行了适当模型简化,在SOLIDWORKS建模软件中分别建立了三种关键螺栓连接结构的三维实体模型;进行了三种关键螺栓连接载荷特性分析,根据所建三维实体模型,基于ANSYS有限元分析软件,开展了三种关键螺栓连接的网格划分和非线性参数设置;为确保强度分析中的非线性收敛和计算精度,进行了网格形状、收敛标准、接触刚度与接触算法等的研究,得到了三种关键螺栓连接的一系列强度结果。研究结果表明:8级风载荷下三种螺接件结构中螺栓应力均小于8.8级高强螺栓的材料屈服极限,且应变均在允许范围之内;聚光器-U型体螺栓连接结构在9级风载荷下最大螺栓应力达到782.218MPa,超过螺栓材料屈服极限,将会引起螺栓失效;12级大风载荷下,碟式太阳能发电系统处于大风避险状态,由于迎面面积为最小,三种连接结构中的螺栓应力和应变均满足强度要求;U型体-桁架螺栓连接中两种类型连接螺栓应力分布不均,两种螺栓的排布存在不合理现象;聚光器-U型体螺栓连接结构的应力分布随着风向角的变化而变化,在一定区域内呈现单调性,存在一定的规律性;立柱-基础连接结构中应力分布最为平衡,且各个风向角下的应力值浮动甚小。本文所得碟式太阳能发电系统关键螺栓连接强度分析结果不仅可供相同类型螺栓接触有限元非线性接触分析借鉴,同时为大功率碟式太阳能热发电系统整体钢构机架的螺栓连接结构优化和承载性能研究提供了参考依据。 【关键词】：碟式太阳能光热发电系统 高强螺栓 接触分析 非线性 风载荷
【学位授予单位】：湖南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-16
• 1.1 课题研究的背景10-11
• 1.2 高强螺栓问题的国内外研究现状11-13
• 1.3 课题来源及本文主要工作13-16
• 1.3.1 课题来源13-14
• 1.3.2 研究路线及方法14
• 1.3.3 研究内容及论文结构14-16
• 第二章 碟式CSP系统关键螺栓连接及强度计算方法分析16-28
• 2.1 碟式CSP系统关键螺栓连接16-17
• 2.2 螺栓连接接触强度理论17-20
• 2.2.1 螺栓接触理论17-19
• 2.2.2 螺栓强度计算方法19-20
• 2.3 非线性接触分析及参数设置20-25
• 2.3.1 接触摩擦分析20-21
• 2.3.2 接触单元类型的选择21
• 2.3.3 接触算法的选择21-23
• 2.3.4 实常数及单元关键字的定义23-25
• 2.4 预紧力的施加25-26
• 2.4.1 直接法25
• 2.4.2 间接法25-26
• 2.5 本章小结26-28
• 第三章 U型体-桁架螺栓连接强度分析28-44
• 3.1 概述28-30
• 3.1.1 有限元强度分析基本步骤概述28-30
• 3.1.2 U型体-桁架螺栓连接结构概述30
• 3.2 U型体-桁架螺栓连接模型30-34
• 3.2.1 U型体-桁架螺栓连接几何模型30-31
• 3.2.2 U型体-桁架螺栓连接有限元模型31-34
• 3.2.3 U型体-桁架螺栓连接材料模型及强度理论34
• 3.3 载荷分析计算34-39
• 3.3.1 8 级风载荷计算36-38
• 3.3.2 12级风载荷计算38-39
• 3.4 结果分析39-43
• 3.4.1 8 级风八种工况结果处理39-42
• 3.4.2 大风避险两种工况结果处理42-43
• 3.5 本章小结43-44
• 第四章 聚光器-U型体螺栓连接强度分析44-58
• 4.1 概述44
• 4.2 聚光器-U型体螺栓连接有限元模型44-50
• 4.2.1 多尺度耦合模型概述44-46
• 4.2.2 聚光器-U型体螺栓连接多尺度耦合模型46-49
• 4.2.3 聚光器-U型体螺栓连接材料模型49-50
• 4.3 风载荷模拟计算及自重载荷施加50-53
• 4.4 结果分析53-57
• 4.4.1 最大螺栓应力53-55
• 4.4.2 不同风向角下最大螺栓应力变化55-56
• 4.4.3 同工况下螺栓应力分布56-57
• 4.5 本章小结57-58
• 第五章 立柱-基础螺栓连接静力学分析58-68
• 5.1 概述58
• 5.2 立柱-基础螺栓连接模型58-61
• 5.2.1 立柱-基础螺栓连接几何模型58-60
• 5.2.2 立柱-基础螺栓连接有限元模型60-61
• 5.2.3 立柱-基础螺栓连接材料模型61
• 5.3 风载荷及自重载荷计算61-63
• 5.4 结果分析63-67
• 5.4.1 8 级风载荷地脚螺栓强度分析结果63-66
• 5.4.2 12级风载荷地脚螺栓强度分析结果66-67
• 5.5 本章小结67-68
• 第六章 结论与展望68-70
• 6.1 全文结论68-69
• 6.2 研究展望69-70
• 参考文献70-74
• 致谢74-76
• 附录A：攻读学位期间参研项目和发表论文目录76

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