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。

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第一章 绪论

1.1 课题研究的背景

1.2高强螺栓问题的国内外研究现状

1.3 课题来源及本文主要工作

第二章 碟式CSP系统关键螺栓连接及强度计算方法分析

2.1 碟式CSP系统关键螺栓连接

2.2螺栓连接接触强度理论

2.3非线性接触分析及参数设置

2.4预紧力的施加

2.5本章小结

第三章 U型体-桁架螺栓连接强度分析

3.1概述

3.2 U型体-桁架螺栓连接模型

3.3载荷分析计算

3.4结果分析

3.5本章小结

第四章 聚光器-U型体螺栓连接强度分析

4.1概述

4.2聚光器-U型体螺栓连接有限元模型

4.3风载荷模拟计算及自重载荷施加

4.4结果分析

4.5本章小结

第五章 立柱-基础螺栓连接静力学分析

5.1概述

5.2立柱-基础螺栓连接模型

5.3风载荷及自重载荷计算

5.4结果分析

5.5本章小结

第六章 结论与展望

6.1 全文结论

6.2 研究展望

参考文献

致谢

附录A：攻读学位期间参研项目和发表论文目录