陶瓷型太陽(yáng)能板爆裂的力學(xué)原因分析

荊 棟，宗治方

(山東理工大學(xué) 交通與車(chē)輛工程學(xué)院，山東 淄博 255049)

陶瓷型太陽(yáng)能板爆裂的力學(xué)原因分析

荊 棟，宗治方

(山東理工大學(xué) 交通與車(chē)輛工程學(xué)院，山東 淄博 255049)

陶瓷型太陽(yáng)能板在換水時(shí)受到急冷溫度變化易發(fā)生爆裂，嚴(yán)重影響正常使用。本文以正在使用的陶瓷型太陽(yáng)能板為模型，利用UG軟件按照1:1的比例建立三維實(shí)體模型，導(dǎo)入ANSYS軟件建立有限元模型，模擬其在實(shí)際使用中所經(jīng)歷的熱力學(xué)條件，進(jìn)行了計(jì)算，分析陶瓷型太陽(yáng)能板發(fā)生爆裂的力學(xué)原因，為進(jìn)一步改進(jìn)其結(jié)構(gòu)提供依據(jù)。

陶瓷型太陽(yáng)能板；爆裂；力學(xué)分析；數(shù)值模擬

0 引 言

陶瓷型太陽(yáng)能板較其他形式太陽(yáng)能具有制造工藝簡(jiǎn)單、成本低、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。目前，不少人致力于陶瓷材料的應(yīng)用性研究[1]，對(duì)平板型太陽(yáng)能的研究有對(duì)其傳熱特性的數(shù)值研究[2]或者理論研究[3-4]，也有對(duì)金屬制太陽(yáng)能板的研究[5]，而對(duì)陶瓷型太陽(yáng)能板的研究[6-11]尚未完全成熟。

陶瓷型太陽(yáng)能板是脆性材料，在換水時(shí)受急冷溫度的變化，入水口附近易發(fā)生爆裂[12]。為此，本文基于有限元法對(duì)陶瓷型太陽(yáng)能板模型在急冷載荷下發(fā)生爆裂的力學(xué)原因進(jìn)行了分析，分析結(jié)果為陶瓷型太陽(yáng)能板的結(jié)構(gòu)和加工工藝的改良提供了依據(jù)，以提高改善陶瓷型太陽(yáng)能板的使用性能。

1 陶瓷型太陽(yáng)能板的模型建立

1.1 陶瓷型太陽(yáng)能板三維實(shí)體模型

目前，常見(jiàn)的陶瓷型太陽(yáng)能板都是大通道、直通式扁盒結(jié)構(gòu)，其制作工藝如下[7]：先把混合均勻的普通陶瓷泥漿注入石膏模具，待石膏模具把陶瓷泥漿中的一部分水分吸收后，再吹出未固化的陶瓷泥漿形成具有一定厚度的陶瓷型太陽(yáng)能板生坯，再將生坯加熱到1210 ℃，燒結(jié)成型。

陶瓷型太陽(yáng)能板的實(shí)際尺寸為715 mm×715 mm ×28 mm，壁厚為5 mm。用UG軟件建立陶瓷型太陽(yáng)能板三維實(shí)體模型，如圖1所示。

陶瓷型太陽(yáng)能板為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，在保證計(jì)算精度的同時(shí)，為提高計(jì)算速度，取太能板的1/4模型即可；故在ANSYS軟件中進(jìn)行有限元分析計(jì)算時(shí)，僅對(duì)太能板的1/4模型進(jìn)行有限元分析計(jì)算，建立了陶瓷型太陽(yáng)能板的1/4模型，如圖2所示。

1.2 有限元模型的建立

圖1 陶瓷型太陽(yáng)能板的三維實(shí)體模型Fig.1 Three-dimensional model of all-ceramic solar collector

圖2 1/4陶瓷型太陽(yáng)能板三維實(shí)體模型Fig.2 1/4 three-dimensional model of all-ceramic solar collector

圖3 導(dǎo)入AYSYS軟件中Divide后的1/4陶瓷型太陽(yáng)能板模型Fig.3 1/4 three-dimensional model of all-ceramic solar collector divided in ANSYS

圖4 1/4模型的網(wǎng)格劃分Fig.4 Meshing of 1/4 model

有限元計(jì)算過(guò)程中，網(wǎng)格的劃分尤其重要，其劃分的質(zhì)量直接影響到計(jì)算的精度和速度。陶瓷型太陽(yáng)能板的1/4三維實(shí)體模型結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為得到質(zhì)量較好的網(wǎng)格，對(duì)導(dǎo)入ANSYS軟件的模型進(jìn)行Divide，Divide為多個(gè)比較小的實(shí)體，再對(duì)所有比較小的實(shí)體Glue形成一個(gè)整體，如圖3所示，最后劃分網(wǎng)格。

陶瓷型太陽(yáng)能板的板壁厚度(5 mm)和整板厚度(28 mm)差別不是特別大，在傳熱過(guò)程中需要考慮溫度在其板壁厚度方向上的變化，在利用ANSYS軟件進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)選用實(shí)體單元更加符合實(shí)際情況。因此，選擇單元類(lèi)型為熱分析四面體單元SOLID87，它能很好的模擬該復(fù)雜三維模型。

陶瓷型太陽(yáng)能板所用基體材料為線性膨脹系數(shù)比較小的堇青石陶瓷，其向陽(yáng)表面的立體網(wǎng)狀黑瓷層主要作用是吸收陽(yáng)光，對(duì)基體強(qiáng)度的影響可以忽略，在分析計(jì)算時(shí)不再予以考慮。堇青石平板陶瓷的性能參數(shù)為[13,14]：導(dǎo)熱系數(shù)4.25 W·(m·K)-1，比熱容840 J·(kg·℃)-1，密度2840 kg·m-3，楊氏模量400 GPa，線性膨脹系數(shù)2.04×10-6℃-1。

在ANSYS軟件中添加熱分析單元屬性：導(dǎo)熱系數(shù)4.25 W·(m·K)-1，比熱容840 J·(kg·℃)-1，密度2840 kg·m-3。對(duì)三維實(shí)體模型離散化，建立其有限元模型，如圖4所示。

2 理論分析和有限元計(jì)算

2.1 理論分析

根據(jù)陶瓷型太陽(yáng)能板的實(shí)際工作條件及其在實(shí)際應(yīng)用中的一種極端情況，即把在太陽(yáng)能板內(nèi)加熱到100 ℃的水放出后，立即注入15 ℃左右的自來(lái)水，在很短的時(shí)間內(nèi)完成換水。

根據(jù)使用陶瓷型太陽(yáng)能板的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)[11]，我國(guó)北方夏季晴朗的天氣條件下(最高太陽(yáng)能的輻射值約為800 W·m-2)其熱效率假定為最高瞬時(shí)熱效率99%。

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由牛頓冷卻公式[14]：

q=h(tw-tf)式中：q為陶瓷型太陽(yáng)能板對(duì)水的熱流密度，取值為 q=800×0.9792 w·m-2；h為待求表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)(單位：W·m-2·K-2)； tw為陶瓷型太陽(yáng)能板內(nèi)壁面溫度，取值為tw=100 ℃；tf為自來(lái)水的溫度，取值為tf=15 ℃。得到表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h=9.32 W·m-2·K-2。

2.2 有限元計(jì)算

在ANSYS軟件中對(duì)模型進(jìn)行有限元計(jì)算，步驟如下：

(1)對(duì)模型水道內(nèi)表面施加對(duì)流換熱載荷，設(shè)置表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) W·m-2·K-2，進(jìn)水溫度(初始溫度)為15 ℃。圖5紅色區(qū)域是模型水道內(nèi)表面所施加的對(duì)流換熱載荷；

(2)模型水道內(nèi)表面設(shè)置初始溫度為100 ℃，設(shè)置其在1 s內(nèi)完成換水，即時(shí)間歷程為1 s，時(shí)間步長(zhǎng)為0.2 s，設(shè)置溫度補(bǔ)償量為273(實(shí)際計(jì)算的0度與絕對(duì)0度的差值)，讀取每一載荷步的結(jié)果，寫(xiě)入溫度場(chǎng)物理分析文件；

(3)為使溫度場(chǎng)的熱載荷對(duì)應(yīng)力場(chǎng)分析沒(méi)有影響，清空當(dāng)前溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)，并刪除在溫度場(chǎng)施加的對(duì)流換熱載荷；

(4)從熱分析單元轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)分析單元，轉(zhuǎn)換后的單元類(lèi)型為四面體單元SOLID187，并添加單元屬性：楊氏模量400 GPa，線性膨脹系數(shù)2.04×10-6℃-1；

(5)在工程實(shí)際中，陶瓷型太陽(yáng)能板的入水口處相當(dāng)于固定端，故計(jì)算時(shí)，入水口處施加全約束，圖5模型的其他剖面施加法向約束；

(6)陶瓷型太陽(yáng)能板在實(shí)際中工作時(shí)的溫度不低于15 ℃，定義分析參考溫度為15 ℃；

(7)寫(xiě)入應(yīng)力場(chǎng)物理分析文件，并讀取溫度場(chǎng)物理分析文件進(jìn)行求解，求解得到陶瓷型太陽(yáng)能板的溫度云圖(圖6)；

圖5 1/4模型的對(duì)流換熱載荷Fig.5 The load of heat convection in 1/4 model

(8)讀取溫度場(chǎng)物理分析文件并讀取溫度場(chǎng)結(jié)果進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)求解，求解得到陶瓷型太陽(yáng)能板的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)共同作用產(chǎn)生的應(yīng)力云圖(圖7)和位移云圖(圖8)。

2.3 計(jì)算結(jié)果討論

圖6 1/4模型的溫度場(chǎng)分布云圖Fig.6 Temperature nephogram of 1/4 model

圖7 1/4模型的應(yīng)力場(chǎng)分布云圖Fig.7 Stress nephogram of 1/4 model

圖8 1/4模型的位移云圖Fig.8 Displacement nephogram of 1/4 model

對(duì)上述計(jì)算結(jié)果進(jìn)行如下討論分析：

(1)由溫度場(chǎng)分布云圖，換水時(shí)溫度較高區(qū)域出現(xiàn)在管間肋板的兩端處和入水口外側(cè)，溫度較低的區(qū)域在水道的交叉處和入水口內(nèi)側(cè)，緊挨著溫度較高區(qū)域。這些區(qū)域是陶瓷型太陽(yáng)能板弧度變化大的地方，在換水過(guò)程中容易產(chǎn)生熱力集中，進(jìn)而產(chǎn)生較大變形，對(duì)于脆性材料來(lái)講，比較容易發(fā)生爆裂。

圖9 爆裂的陶瓷型太陽(yáng)能板Fig.9 The cracked all-ceramic solar collector

(2)由應(yīng)力場(chǎng)分布云圖，最大應(yīng)力區(qū)域出現(xiàn)在陶瓷型太陽(yáng)能板的入水口處，為736 Mpa，此處存在熱力集中，造成此處應(yīng)力大、易爆裂。堇青石陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)為蜂窩狀，作為陶瓷型太陽(yáng)能板基體材料，在換水過(guò)程中總有一小部分水保留在板體的細(xì)小蜂窩狀孔內(nèi)，這部分水被加熱或冷卻時(shí)，產(chǎn)生膨脹和收縮，為陶瓷材料產(chǎn)生裂縫提供強(qiáng)有力的條件，加劇太陽(yáng)能板的爆裂。

(3)由位移云圖，陶瓷型太陽(yáng)能板的變形量由入水口處向邊角區(qū)域依次變大。入水口處為全約束，邊角區(qū)域沒(méi)有約束，相同力學(xué)條件下，邊角區(qū)域產(chǎn)生的變形量要大于入水口。堇青石陶瓷為脆性材料，在換水過(guò)程中材料的形變對(duì)其影響較大，進(jìn)而易發(fā)生爆裂。

3 結(jié) 論

本文就陶瓷型太陽(yáng)能板在換水時(shí)，受到急冷溫度變化載荷易發(fā)生爆裂的問(wèn)題，進(jìn)行了計(jì)算分析。用UG軟件建立了陶瓷型太陽(yáng)能板的三維實(shí)體模型，在ANSYS軟件中模擬了其實(shí)際工作中所受的邊界條件，得出了此過(guò)程中的溫度、應(yīng)力和位移云圖，分析討論了陶瓷型太陽(yáng)能板在換水時(shí)受急冷溫度變化載荷易發(fā)生爆裂的原因，為陶瓷型太陽(yáng)能板的進(jìn)一步改良提供了參考依據(jù)，計(jì)算分析結(jié)果與圖9所展示的真實(shí)情況吻合。對(duì)陶瓷型太陽(yáng)能板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改良時(shí)，可以考慮減少陶瓷型太陽(yáng)能板水道交叉處的弧度變化，使入水口與板體的連接部分趨于平緩。

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Mechanical Analysis of the Cracked All-Ceramic Solar Collector

JING Dong, ZONG Zhifang
(School of Traffic & Vehicle Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, Shandong, China)

All-ceramic solar collector is easier to crack, which affects its normal function severely, because it is under high-speed thermal change load in use. The three-dimensional model was built in UG software in the proportion of 1:1, and then imported to the ANSYS software. The ANSYS software analyzes the model of all-ceramic solar collector in finite element thermodynamic analysis and finds the cracked mechanical reasons.

all-ceramic solar collector; crack; mechanical analysis; numerical simulation

TQ174.75

A

1000-2278(2015)05-0526-04

10.13957/j.cnki.tcxb.2015.05.016

2015-03-23。

2015-03-31。

山東省高等學(xué)校科技計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：J14LB58)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：51275280)。

荊 棟(1976-)，男，博士，講師。

Received date: 2015-03-23. Revised date: 2015-03-31.

Correspondent author:JING Dong(1976-), male, Doc., Lecturer.

E-mail:jingrenzhi@163.com