【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于航空航天，特别涉及一种基于缠绕肋的自展开太阳能离轴聚光器及其设计方法。
技术介绍
1、太阳能是一种清洁、环保、取之不尽、用之不竭的绿色能源。然而，由于大气层削弱、昼夜交替、天气和气候等因素的影响，地面上的太阳能流密度比较低，导致地面太阳能利用效率较低。为此，地球同步轨道上的空间太阳能电站成为备受关注的解决方案，其中大型聚光阵列是其核心组件之一，一般由多个形状相同、均匀布置的可展开聚光器单元组成。面向空间太阳能电站对组成聚光阵列的可展开聚光器单元的应用需求，提出了一种基于弹性铰链的轻量化、高精度的自展开聚光器单元新构型。
2、湘潭大学和湘潭电机制造集团太阳能业务部联合研制了额定功率为38kw的碟式太阳能聚光系统，如图所示。抛物面聚光器有效面积为204m2，半径为8.85m，焦距为9.49m，热机采用了stirling biopower flexgen s260。在750w/m2的太阳直射辐照前提下，太阳能发电效率为25.3％，38kw的太阳能碟式聚光器系统具有良好的工作性能，净输出功率高达38.0kw。最高净输出功率为40.5kw，相应的太阳能转换效率为26.6％。该装置主要由固面单元组成，型面精度较高，但重量过大，且在太空中不易与组装，所以不适用于目标场景。。
3、兰州理工大学戴剑锋团队提出了一种优于传统的伞状太阳能龙骨聚光器，如图所示。其主体为刚性u型支撑管，反射面以聚亚酰胺薄膜上镀铝，增反膜上再镀120nm厚度银色的铝银复合膜，用作空间飞行器的太阳能热推进器。该聚光器可以克服充气式展开抛
4、trw的向日葵(sunflower)是采用刚性面板概念的第一个设计，如图所示。它使用旋转关节将面板折叠起来，该样机展开口径为φ4.9m，收纳直径和高度分别为φ2.15m和1.8m。后续研发的扩展版本展开口径达到φ15m，收纳成直径为φ4.4m，高度为6.6m的圆柱体。但相对于最初的向日葵结构更为复杂。固面提高了整体的型面精度，且通过折展机构减小了收拢面积，但是整体重量过大，且结构复杂不能保证多次收拢展开的可行性。
技术实现思路
1、本专利技术提供一种基于缠绕肋的自展开太阳能离轴聚光器及其设计方法，泳衣解决上述问题。
2、本专利技术通过以下技术方案实现：
3、一种基于缠绕肋的自展开太阳能离轴聚光器的设计方法，所述设计方法包括以下步骤：
4、步骤1：基于现有聚光器设计自展开太阳能离轴聚光器的绕单轴展开机构；
5、步骤2：经过力学计算选取缠绕肋作为绕单轴的展开结构；
6、步骤3：基于步骤2的缠绕肋设计自展开太阳能离轴聚光镜并选取相应部件。
7、一种基于缠绕肋的自展开太阳能离轴聚光器的设计方法，所述设计方法的步骤2具体为，
8、所述缠绕肋的力学计算过程具体包括以下步骤：
9、步骤2.1：选取缠绕肋的设计参数；
10、步骤2.2：基于步骤2.1选取的参数，得到弹性模量和屈服应力；
11、步骤2.3：分析缠绕肋截面绕圆柱的缠绕过程，得到应力应变关系；
12、步骤2.4：使用有限元软件abaqus对单根缠绕肋进行数值分析。
13、一种基于缠绕肋的自展开太阳能离轴聚光器的设计方法，所述步骤2.1具体为，选取曲率半径r、厚度t和圆心角θ作为设计的主要参数。
14、一种基于缠绕肋的自展开太阳能离轴聚光器的设计方法，所述步骤2.2具体为，弹性模量为210gpa,屈服应力为200mpa。
15、一种基于缠绕肋的自展开太阳能离轴聚光器的设计方法，所述步骤2.3具体为，缠绕肋的圆柱直径为2r，缠绕肋沿圆柱的x方向进行缠绕，缠绕肋截面沿圆柱y方向紧贴圆柱表面逐渐变平。
16、一种基于缠绕肋的自展开太阳能离轴聚光器的设计方法，根据薄壳理论，缠绕肋距离中曲面距离为z的等距面内的应力应变关系为式(1)～(3)：
17、
18、
19、τxy＝0 (3)
20、其中，δkx和δky分别为肋截面在圆柱的x和y方向上曲率变化值，σx为x截面的正应力，σy为y截面的正应力，τxy为切应力，μ为材料的泊松比，e为材料的弹性模量；
21、忽略δk沿肋厚度方向的变化，只分析缠绕肋截面的压平和缠绕过程，得到δkx和δky的表达式，如式(4)：
22、
23、缠绕肋紧贴圆柱表面的2个主应力可由式(5)、(6)求得：
24、
25、
26、其中，σ1为第一主应力，σ2为第二主应力，
27、将缠绕肋截面的几何参数以及材料的相关参数带入到式(7)中，得到响应的mises应力：
28、
29、其中，σm为mises应力。
30、一种基于缠绕肋的自展开太阳能离轴聚光器，所述聚光器使用如上述的基于缠绕肋的自展开太阳能离轴聚光器的设计方法设计得出；所述聚光器包括缠绕肋3、聚光镜4、支撑网面5、移动机构2和基座1；
31、所述缠绕肋3作为聚光器的主体，用于保持整个聚光镜的反射面呈特定的抛物面的形状并且对整个反射面起着支撑的作用；
32、所述聚光镜4由16个单面镀铝的聚酰亚胺扇形薄膜组成，预先张拉后粘贴在缠绕肋之间，通过预张力保持抛物面面型的精度。
33、所述支撑网面5，金属网对反射面进行辅助支撑，提高反射面的型面精度；
34、所述基座1，位于缠绕肋的端部，是收拢位置与展开位置的延伸，采用移动滑块对抛物面面型进行补偿；
35、所述移动机构2，用于使离轴共轭太阳能聚光器的收拢状态体积更小，且能改变离轴抛物面型面。
36、一种基于缠绕肋的自展开太阳能离轴聚光器，所述基座1上安装移动机构2，所述移动机构2上安装缠绕肋3，所述缠绕肋3上粘贴聚光镜4，每两个所述缠绕肋3之间固定设置支撑网面5，所述支撑网面5上设置聚光镜4。
37、一种基于缠绕肋的自展开太阳能离轴聚光器，所述移动机构2包括滑块2-1、圆柱滑轨2-2、挡板2-3和锁紧装置2-4；所述基座1从中心沿半径均布多个圆柱滑轨2-2，所述圆柱滑轨2-2上设置滑块2-1，所述滑块2-1上设置锁紧装置2-4，所述锁紧装置2-4上设置缠绕肋3的一端；
38、所述圆柱滑轨2-2的外端设置挡板2-3，所述挡板2-3限制滑块2-1的滑动距离。
39、一种基于缠绕肋的自展开太阳能离轴聚光器，所述锁紧装置2-4包括外弧形板2-4-1与内弧形板2-4-2，所述外弧形板2-4-1与内弧形板2-4-2之间插入缠绕肋3的一端，并通过螺丝紧固；所述外弧形板2-4-1与内弧形板2-4-2均设置有螺丝孔2-4-3，所述螺丝孔2-本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于缠绕肋的自展开太阳能离轴聚光器的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述一种基于缠绕肋的自展开太阳能离轴聚光器的设计方法，其特征在于，所述设计方法的步骤2包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述一种基于缠绕肋的自展开太阳能离轴聚光器的设计方法，其特征在于，所述步骤2.1具体为，选取曲率半径R、厚度t和圆心角θ作为设计的主要参数。
4.根据权利要求3所述一种基于缠绕肋的自展开太阳能离轴聚光器的设计方法，其特征在于，所述步骤2.2具体为，弹性模量为210GPa,屈服应力为200MPa。
5.根据权利要求2所述一种基于缠绕肋的自展开太阳能离轴聚光器的设计方法，其特征在于，所述步骤2.3具体为，缠绕肋的圆柱直径为2r，缠绕肋沿圆柱的X方向进行缠绕，缠绕肋截面沿圆柱Y方向紧贴圆柱表面逐渐变平。
6.根据权利要求5所述一种基于缠绕肋的自展开太阳能离轴聚光器的设计方法，其特征在于，根据薄壳理论，缠绕肋距离中曲面距离为z的等距面内的应力应变关系为式(1)～(3)：
7.一种基于缠绕肋
8.根据权利要求7所述一种基于缠绕肋的自展开太阳能离轴聚光器，其特征在于，所述基座(1)上安装移动机构(2)，所述移动机构(2)上安装缠绕肋(3)，所述缠绕肋(3)上粘贴聚光镜(4)，每两个所述缠绕肋(3)之间固定设置支撑网面(5)，所述支撑网面(5)上设置聚光镜(4)。
9.根据权利要求8所述一种基于缠绕肋的自展开太阳能离轴聚光器，其特征在于，所述移动机构(2)包括滑块(2-1)、圆柱滑轨(2-2)、挡板(2-3)和锁紧装置(2-4)；所述基座(1)从中心沿半径均布多个圆柱滑轨(2-2)，所述圆柱滑轨(2-2)上设置滑块(2-1)，所述滑块(2-1)上设置锁紧装置(2-4)，所述锁紧装置(2-4)上设置缠绕肋(3)的一端；
10.根据权利要求9所述一种基于缠绕肋的自展开太阳能离轴聚光器，其特征在于，所述锁紧装置(2-4)包括外弧形板(2-4-1)与内弧形板(2-4-2)，所述外弧形板(2-4-1)与内弧形板(2-4-2)之间插入缠绕肋(3)的一端，并通过螺丝紧固；所述外弧形板(2-4-1)与内弧形板(2-4-2)均设置有螺丝孔(2-4-3)，所述螺丝孔(2-4-3)内插入螺丝。
...【技术特征摘要】
1.一种基于缠绕肋的自展开太阳能离轴聚光器的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述一种基于缠绕肋的自展开太阳能离轴聚光器的设计方法，其特征在于，所述设计方法的步骤2包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述一种基于缠绕肋的自展开太阳能离轴聚光器的设计方法，其特征在于，所述步骤2.1具体为，选取曲率半径r、厚度t和圆心角θ作为设计的主要参数。
4.根据权利要求3所述一种基于缠绕肋的自展开太阳能离轴聚光器的设计方法，其特征在于，所述步骤2.2具体为，弹性模量为210gpa,屈服应力为200mpa。
5.根据权利要求2所述一种基于缠绕肋的自展开太阳能离轴聚光器的设计方法，其特征在于，所述步骤2.3具体为，缠绕肋的圆柱直径为2r，缠绕肋沿圆柱的x方向进行缠绕，缠绕肋截面沿圆柱y方向紧贴圆柱表面逐渐变平。
6.根据权利要求5所述一种基于缠绕肋的自展开太阳能离轴聚光器的设计方法，其特征在于，根据薄壳理论，缠绕肋距离中曲面距离为z的等距面内的应力应变关系为式(1)～(3)：
7.一种基于缠绕肋的自展开太阳能离轴聚光器，其特征在于，所述聚光器使用如权利要求1-6所述的基于缠绕肋的自展开太阳能离轴聚光器的设计方法设计得出...
【专利技术属性】
技术研发人员：李丽芳，张彦龙，郭朋真，夏舟，刘荣强，邓宗全，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。