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摘要

處于(yu)野外開闊(kuo)地帶的(de)(de)(de)(de)定(ding)日(ri)(ri)(ri)鏡(jing)(jing)(jing)(jing)在(zai)冰雹(bao)作用下(xia)極易遭(zao)受(shou)沖(chong)擊破(po)壞(huai)。大(da)(da)量關于(yu)定(ding)日(ri)(ri)(ri)鏡(jing)(jing)(jing)(jing)的(de)(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)主(zhu)要集中(zhong)在(zai)風荷載(zai)的(de)(de)(de)(de)影(ying)響上(shang)，而(er)(er)對(dui)冰雹(bao)沖(chong)擊下(xia)定(ding)日(ri)(ri)(ri)鏡(jing)(jing)(jing)(jing)的(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)力(li)(li)(li)響應(ying)缺乏深(shen)入的(de)(de)(de)(de)了(le)解(jie)。本(ben)研(yan)究(jiu)采(cai)用數(shu)值模擬方法研(yan)究(jiu)了(le)中(zhong)國青藏高原地區冰雹(bao)沖(chong)擊定(ding)日(ri)(ri)(ri)鏡(jing)(jing)(jing)(jing)的(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)態響應(ying)特征。基于(yu)青藏高原等地區歷史冰雹(bao)數(shu)據，建立了(le)考慮(lv)應(ying)變率效(xiao)應(ying)和脆性斷裂行為(wei)的(de)(de)(de)(de)冰雹(bao)動(dong)(dong)態本(ben)構模型并(bing)對(dui)其(qi)進行了(le)驗(yan)證，分析(xi)了(le)冰雹(bao)沖(chong)擊位(wei)置(zhi)、冰雹(bao)直徑、定(ding)日(ri)(ri)(ri)鏡(jing)(jing)(jing)(jing)俯仰(yang)(yang)角和定(ding)日(ri)(ri)(ri)鏡(jing)(jing)(jing)(jing)板厚對(dui)定(ding)日(ri)(ri)(ri)鏡(jing)(jing)(jing)(jing)動(dong)(dong)態響應(ying)特性的(de)(de)(de)(de)影(ying)響。研(yan)究(jiu)結果表(biao)明，冰雹(bao)沖(chong)擊位(wei)置(zhi)對(dui)定(ding)日(ri)(ri)(ri)鏡(jing)(jing)(jing)(jing)位(wei)移(yi)影(ying)響顯著，對(dui)最大(da)(da)主(zhu)應(ying)力(li)(li)(li)影(ying)響較小。定(ding)日(ri)(ri)(ri)鏡(jing)(jing)(jing)(jing)的(de)(de)(de)(de)應(ying)力(li)(li)(li)和位(wei)移(yi)隨冰雹(bao)粒徑的(de)(de)(de)(de)增(zeng)大(da)(da)而(er)(er)增(zeng)大(da)(da)，而(er)(er)隨著定(ding)日(ri)(ri)(ri)鏡(jing)(jing)(jing)(jing)仰(yang)(yang)角和板厚的(de)(de)(de)(de)增(zeng)大(da)(da)而(er)(er)減小。當冰雹(bao)直徑增(zeng)加(jia)到30 mm時，定(ding)日(ri)(ri)(ri)鏡(jing)(jing)(jing)(jing)的(de)(de)(de)(de)最大(da)(da)主(zhu)應(ying)力(li)(li)(li)超(chao)過其(qi)抗拉強度(du)。

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(tai)(tai)陽能光熱發電技術具有高(gao)聚光比、高(gao)熱流密度和(he)(he)高(gao)穩定(ding)(ding)性(xing)的(de)特點，可實現大(da)規模發電，是(shi)目前(qian)聚光太(tai)(tai)陽能發電最(zui)(zui)具前(qian)景的(de)發展(zhan)(zhan)方向。為滿足生(sheng)產(chan)工藝(yi)要求，大(da)型光熱發電站通常選(xuan)址在年日照率(lv)90%以上的(de)開闊(kuo)地(di)帶。從太(tai)(tai)陽能資源年總量看(kan)，青(qing)藏(zang)高(gao)原(yuan)(yuan)是(shi)我國(guo)太(tai)(tai)陽能資源最(zui)(zui)豐富的(de)地(di)區，在世界(jie)范圍(wei)內僅次(ci)于(yu)撒哈拉大(da)沙漠。同時，青(qing)藏(zang)高(gao)原(yuan)(yuan)是(shi)世界(jie)上海拔最(zui)(zui)高(gao)、范圍(wei)最(zui)(zui)廣的(de)高(gao)原(yuan)(yuan)，對(dui)氣候(hou)變化非常敏感。由于(yu)青(qing)藏(zang)高(gao)原(yuan)(yuan)強烈的(de)隆升和(he)(he)復(fu)雜(za)的(de)地(di)形(xing)，相比于(yu)中(zhong)(zhong)國(guo)其他(ta)地(di)區，青(qing)藏(zang)高(gao)原(yuan)(yuan)地(di)區出現冰(bing)雹(bao)和(he)(he)雷(lei)暴的(de)頻(pin)率(lv)最(zui)(zui)高(gao)。處于(yu)野外開闊(kuo)地(di)帶的(de)定(ding)(ding)日鏡(jing)極易在雷(lei)暴大(da)風和(he)(he)冰(bing)雹(bao)作用(yong)下(xia)發生(sheng)破(po)壞(huai)，影響(xiang)光學性(xing)能，造成嚴重(zhong)的(de)經濟損(sun)失。目前(qian)，對(dui)定(ding)(ding)日鏡(jing)的(de)研究主(zhu)要集(ji)中(zhong)(zhong)在風荷載(zai)效應(ying)和(he)(he)風致(zhi)振動(dong)問題，已(yi)有的(de)冰(bing)雹(bao)沖擊研究對(dui)象多(duo)集(ji)中(zhong)(zhong)在復(fu)合材料、金屬屋面板等構件。因(yin)此，有必要開展(zhan)(zhan)冰(bing)雹(bao)沖擊下(xia)定(ding)(ding)日鏡(jing)結(jie)構動(dong)態(tai)響(xiang)應(ying)和(he)(he)破(po)壞(huai)特征的(de)研究，為定(ding)(ding)日鏡(jing)抗雹(bao)設計提供一定(ding)(ding)的(de)參考。

數據模型介紹

為(wei)驗(yan)(yan)證(zheng)光(guang)滑粒子流體動力學法（Smooth Particle Hydrodynamic，SPH）模(mo)擬冰雹撞擊以及冰雹本構(gou)模(mo)型(xing)選取的(de)合理性(xing)，選取英國皇家(jia)飛行(xing)器實(shi)驗(yan)(yan)機構(gou)（Royal Aircraft Establishment，RAE）進行(xing)的(de)冰雹高速沖擊鋁合金平板(ban)實(shi)驗(yan)(yan)(Thomson和(he)Hayduk，1971)進行(xing)驗(yan)(yan)證(zheng)。結(jie)果如(ru)圖(tu)1所示。

圖1冰雹模型驗證

本文模擬結果中鋁平板產生(sheng)的最大變形為11.7mm，在其他(ta)結果中為11.2 mm，誤差(cha)為4.5%。不同模擬曲(qu)線整體(ti)擬合效果良好，說明本文采用的冰雹(bao)材料模型(xing)較為真(zhen)實地(di)模擬冰雹(bao)撞擊損傷情況。

根據(ju)定日(ri)鏡(jing)面板的對稱(cheng)性(xing)選取(qu)冰雹沖擊位置，定日(ri)鏡(jing)仰角(jiao)(jiao)a定義為反射(she)鏡(jing)面與Y軸(zhou)間的夾角(jiao)(jiao)，當(dang)鏡(jing)面平行于地面時，俯仰角(jiao)(jiao)為0°，如圖2所(suo)示。

圖2計算工況示意圖

計算結果

1.冰雹沖擊位置(zhi)影響

圖3給出了定(ding)日(ri)鏡(jing)P0~P6位置依次受到(dao)冰(bing)雹(bao)沖擊(ji)后(hou)的(de)(de)動態響(xiang)應(ying)結果。在(zai)冰(bing)雹(bao)沖擊(ji)瞬(shun)間，定(ding)日(ri)鏡(jing)的(de)(de)位移和應(ying)力就迅速增大(da)(da)，隨(sui)后(hou)位移隨(sui)時(shi)間增長緩慢，直至趨于穩定(ding)，應(ying)力幅(fu)值逐漸(jian)衰(shuai)減。當冰(bing)雹(bao)沖擊(ji)定(ding)日(ri)鏡(jing)P1位置時(shi)，定(ding)日(ri)鏡(jing)的(de)(de)位移響(xiang)應(ying)和應(ying)力響(xiang)應(ying)幅(fu)值最大(da)(da)。相比于定(ding)日(ri)鏡(jing)P0和P1位置，定(ding)日(ri)鏡(jing)P2和P6位置受到(dao)冰(bing)雹(bao)沖擊(ji)后(hou)的(de)(de)的(de)(de)位移曲(qu)線波動更大(da)(da)。

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(he)圖(tu)5給(gei)出(chu)了定(ding)日鏡(jing)(jing)(jing)(jing)依(yi)次受到直(zhi)(zhi)徑D為(wei)10~50 mm的(de)冰(bing)(bing)(bing)雹(bao)沖擊后的(de)動態響應(ying)結果。當(dang)冰(bing)(bing)(bing)雹(bao)直(zhi)(zhi)徑不(bu)超過20 mm時(shi)，定(ding)日鏡(jing)(jing)(jing)(jing)的(de)位(wei)移曲線和(he)應(ying)力(li)(li)曲線變化較小；冰(bing)(bing)(bing)雹(bao)直(zhi)(zhi)徑達到30 mm后，定(ding)日鏡(jing)(jing)(jing)(jing)的(de)位(wei)移曲線迅(xun)速下降，冰(bing)(bing)(bing)雹(bao)直(zhi)(zhi)徑繼續增大(da)，位(wei)移和(he)應(ying)力(li)(li)曲線斜率也越來越大(da)，但最大(da)主應(ying)力(li)(li)幅(fu)值出(chu)現(xian)時(shi)刻(ke)略(lve)有推遲。在(zai)冰(bing)(bing)(bing)雹(bao)直(zhi)(zhi)徑為(wei)30 mm時(shi)，其(qi)最大(da)主應(ying)力(li)(li)超過定(ding)日鏡(jing)(jing)(jing)(jing)拉伸強度(du)產生(sheng)破壞。

圖4不同冰雹粒(li)徑下(xia)定(ding)日鏡位移(yi)時程曲線

圖5不同冰雹(bao)粒(li)徑下定日鏡最大主應力(li)時程(cheng)曲線

3.定日鏡仰角影響

圖6和(he)圖7給出了定日(ri)(ri)鏡(jing)處(chu)于0°、15°、30°、45°和(he)60°等5種仰(yang)角(jiao)下，定日(ri)(ri)鏡(jing)在直徑30 mm的(de)冰雹沖擊下的(de)動(dong)態響應(ying)(ying)結果。定日(ri)(ri)鏡(jing)仰(yang)角(jiao)不超過15°時，定日(ri)(ri)鏡(jing)的(de)位(wei)(wei)移和(he)應(ying)(ying)力曲線(xian)隨定日(ri)(ri)鏡(jing)仰(yang)角(jiao)變化(hua)較小，最(zui)大主應(ying)(ying)力在P1和(he)P6位(wei)(wei)置略(lve)有(you)增(zeng)加(jia)，而在P2和(he)P5位(wei)(wei)置略(lve)有(you)減(jian)小；定日(ri)(ri)鏡(jing)仰(yang)角(jiao)大于30°，定日(ri)(ri)鏡(jing)位(wei)(wei)移和(he)應(ying)(ying)力響應(ying)(ying)迅速減(jian)小，位(wei)(wei)移和(he)應(ying)(ying)力曲線(xian)斜率也越(yue)(yue)來(lai)越(yue)(yue)低，最(zui)大主應(ying)(ying)力峰值出現(xian)時刻也略(lve)有(you)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.定日鏡面板厚(hou)影(ying)響(xiang)

圖6給出了不(bu)同板(ban)厚(hou)的(de)定(ding)日鏡(jing)在(zai)直徑30 mm的(de)冰(bing)雹沖(chong)擊下(xia)的(de)動(dong)態(tai)響(xiang)應(ying)(ying)曲線。當定(ding)日鏡(jing)板(ban)厚(hou)不(bu)超(chao)過3 mm時(shi)(shi)，定(ding)日鏡(jing)的(de)位(wei)移隨(sui)(sui)時(shi)(shi)間(jian)逐(zhu)漸增(zeng)大(da)，最大(da)主應(ying)(ying)力在(zai)沖(chong)擊初(chu)始(shi)階段(duan)就迅速增(zeng)加(jia)并達到最大(da)，然后(hou)下(xia)降并在(zai)后(hou)期出現第二個應(ying)(ying)力峰值(zhi)。當定(ding)日鏡(jing)板(ban)厚(hou)大(da)于3 mm后(hou)，定(ding)日鏡(jing)的(de)位(wei)移和最大(da)主應(ying)(ying)力在(zai)初(chu)始(shi)階段(duan)基本為零(ling)，隨(sui)(sui)后(hou)隨(sui)(sui)時(shi)(shi)間(jian)逐(zhu)漸增(zeng)大(da)，且(qie)隨(sui)(sui)著板(ban)厚(hou)的(de)增(zeng)加(jia)，定(ding)日鏡(jing)首個最大(da)主應(ying)(ying)力幅值(zhi)出現時(shi)(shi)刻(ke)略微推(tui)遲。

圖8不同定日鏡板厚下定日鏡動態響應

結論

1)當(dang)冰雹(bao)沖擊位(wei)置遠離(li)(li)定日(ri)鏡(jing)背(bei)面(mian)有吸盤支撐的(de)位(wei)置時，定日(ri)鏡(jing)的(de)位(wei)移隨(sui)著距定日(ri)鏡(jing)板中心距離(li)(li)的(de)增(zeng)大(da)而增(zeng)大(da)，但定日(ri)鏡(jing)表面(mian)的(de)最大(da)主(zhu)應力隨(sui)冰雹(bao)沖擊位(wei)置的(de)變化而略有增(zeng)加。

2)隨(sui)著冰雹直(zhi)(zhi)徑的(de)增(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)，定(ding)日鏡(jing)位(wei)移響應和(he)最(zui)大(da)(da)(da)主應力逐漸增(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)，且增(zeng)(zeng)長速(su)率(lv)越來越快。當冰雹直(zhi)(zhi)徑增(zeng)(zeng)加到30 mm時，定(ding)日鏡(jing)的(de)位(wei)移迅速(su)增(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)，最(zui)大(da)(da)(da)主應力超(chao)過其(qi)抗拉強度。

3)當定(ding)日(ri)鏡(jing)仰(yang)(yang)角(jiao)小于15°時，定(ding)日(ri)鏡(jing)的位(wei)移和最(zui)大主應力(li)隨(sui)仰(yang)(yang)角(jiao)的增大而(er)略有變化，而(er)冰(bing)雹沖擊位(wei)置位(wei)于定(ding)日(ri)鏡(jing)邊緣(yuan)時，其位(wei)移和應力(li)隨(sui)定(ding)日(ri)鏡(jing)仰(yang)(yang)角(jiao)的增加而(er)增大。定(ding)日(ri)鏡(jing)仰(yang)(yang)角(jiao)大于15°時，定(ding)日(ri)鏡(jing)的位(wei)移和最(zui)大主應力(li)隨(sui)定(ding)日(ri)鏡(jing)仰(yang)(yang)角(jiao)的增大而(er)減小，衰減率基本(ben)一致。

4)隨(sui)(sui)著(zhu)定(ding)(ding)日鏡(jing)(jing)厚度的(de)增(zeng)加，定(ding)(ding)日鏡(jing)(jing)表面的(de)應力(li)集中區逐漸減小(xiao)，定(ding)(ding)日鏡(jing)(jing)位移和最大(da)主應力(li)應力(li)值減小(xiao)，但衰減幅度隨(sui)(sui)定(ding)(ding)日鏡(jing)(jing)板(ban)厚增(zeng)加逐漸減小(xiao)。對于本研究(jiu)中使用的(de)定(ding)(ding)日鏡(jing)(jing)，當冰(bing)雹直(zhi)徑大(da)于30mm時，定(ding)(ding)日鏡(jing)(jing)板(ban)的(de)厚度不應低于3 mm以抵抗(kang)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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