CN108229001A - 一种光热吸热器管束或管屏预应力的施加方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光热吸热器管束或管屏预应力的施加方法，属于预应力施加技术领域。包括：1)确定光热吸热器预应力管束或管屏预起拱形状曲线；2)根据预起拱形状曲线的形状对管束或管屏进行冷弯；3)将冷弯后成型的管束或管屏固定住，并消除残余应力；4)在预应力支点处对弯状管束或管屏进行弹性回压，使预应力支点压回到与管束或管屏两端点分布在同一直线上；5)将预应力支点处及管束或管屏两端点处固定，通过强制位移在管束或管屏中产生预应力，实现预应力的施加。本发明施加方法是基于预起拱形状曲线施加的，操作简单，过程易控、方法可靠，只需对各个控制点的位移量进行把控，即可实现目标预应力值的施加，满足光热吸热器管束或管屏预应力要求。

Description

一种光热吸热器管束或管屏预应力的施加方法

技术领域

本发明属于预应力施加技术领域，特别涉及到单侧受热光热吸热器预应力的施加，具体为一种光热吸热器管束或管屏预应力的施加方法。

背景技术

太阳能作为永久的、清洁的能源具有光明的前景。太阳辐射能的即时利用是当前技术研究的重点，是作为一种能取代常规能源的新能源。

光热吸热器管束或管屏，由于能流密度的不均匀性，按常规约束形式对管束进行约束时，会产生极大的热应力，导致吸热器所能承受的峰值热流密度较低。采用预应力设计方法可明显降低热应力并提高结构可承受的峰值热流密度，而预应力的施加方式对预应力的效果有很大影响，因此有必要提成一种针对预应力设计对光热吸热器管束或管屏进行预应力施加的方法。

发明内容

本发明的目的在提供一种单侧受热管束或管屏光热吸热器预应力施加方法，尤其适用于光热吸热器等单侧受热管束或管屏的预应力施加，可明显降低热应力并提高结构可承受的峰值热流密度。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

本发明所述的预应力施加方法主要通过以下三个阶段来实现：1、预先起拱弯曲；2、消除残余应力；3、强制位移装配形成预应力。具体实施方式如下：

一种光热吸热器管束或管屏预应力的施加方法，包括以下步骤：

1)确定光热吸热器预应力管束或管屏预起拱形状曲线，包括：

A、求解温度场

根据光热吸热器管壁实际的热流密度输入和介质流量，计算管束或管屏的温度场；

B、求解管束或管屏变形形状

将上述步骤A得到的温度场结果读入分析软件中，设置管束或管屏上下端的约束，中间不设置任何约束点，求解管子或管屏的变形形状；

C、求解不考虑能流输入时常温状态的应力σ_p

将上述步骤B得到的变形形状反向，得到与其变形形状对称相反的形状作为初始起拱形状曲线，选好管束或管屏的预应力支点，设置好上下端约束，并在预应力支点处施加往直管轴线位置的位移δ₀，求解不考虑能流输入时常温状态的应力σ_p；

D、确定调整系数k

根据上述步骤C获得的常温状态的应力σ_p，求解调整系数k：

其中，C为强度调整系数；[σ]_t为工作温度下的材料许用应力值；

E、确定管束或管屏预起拱曲线：

将上述步骤C得到的位移δ₀乘以调整系数k得到的位移即为管束或管屏预起拱需要施加的实际位移δ_p＝kδ₀；将步骤C得到的初始起拱形状曲线乘以调整系数k即为管束或管屏预起拱形状曲线；

2)根据预起拱形状曲线的形状对管束或管屏进行冷弯，冷弯后管束或管屏的形状与预起拱形状曲线的形状一致；

3)将经过上述冷弯后成型的弯状管束或管屏固定住，并消除弯管所引起的残余应力；

4)在预应力支点处对弯状管束或管屏进行平面内的弹性回压，使预应力支点压回到与管束或管屏两端点分布在同一直线上；

5)当上述预应力支点处弹性回压完成后，将预应力支点处及管束或管屏两端点处固定，通过强制位移在管束或管屏中产生预应力，从而实现光热吸热器管束或管屏预应力的施加。

作为本发明所述一种光热吸热器管束或管屏预应力的施加方法的一个具体实施例，所述预应力支点为两个，其与管束或管屏上下端的垂直距离为1/4L～1/3L，其中L为整个管束或管屏在轴向上投影的垂直长度。

作为本发明所述一种光热吸热器管束或管屏预应力的施加方法的一个具体实施例，步骤1)A中，所述温度场采用流体力学(CFD)分析软件进行计算；所述介质为空气、水、水蒸气、导热油、液态金属、熔盐中的一种或几种。

作为本发明所述一种光热吸热器管束或管屏预应力的施加方法的一个具体实施例，步骤1)B中，所述分析软件为有限元(FEA)结构分析软件。

作为本发明所述一种光热吸热器管束或管屏预应力的施加方法的一个具体实施例，步骤1)C中，所述初始起拱形状可以根据工艺制作的特点进行拟合，确定为大致形状。

作为本发明所述一种光热吸热器管束或管屏预应力的施加方法的一个具体实施例，步骤1)D中，所述C的取值范围为0.5＜C＜1，所述C的取值为0.9。

作为本发明所述一种光热吸热器管束或管屏预应力的施加方法的一个具体实施例，步骤1)E中，所述管束或管屏预起拱形状曲线可以根据工厂制造工艺，拟合为弯管或折线弯管。

作为本发明所述一种光热吸热器管束或管屏预应力的施加方法的一个具体实施例，步骤1)E中，管束或管屏预起拱形状曲线拟合成折线弯管的具体拟合过程为：

步骤1)C在得到预应力支点处施加往直管轴线位置的位移δ₀的同时也可以得到管束或管屏中点距离直管轴线位置的垂直位移即中间位置的位移δ_c；

折线弯管中弯管的半径通过以下公式计算得到：

上式中：L为整个管束或管束在轴向上投影的垂直长度；L₁为预应力支点与管束或管屏上下端之间的距离在其轴向上投影的垂直长度；δ_cp＝kδ_c；δ_p＝kδ₀；

具体工厂制作过程中，折线长度及斜率根据位移δ_p以及L₁来确定，最后以计算得到的弯管半径作圆弧，其与两侧折线交点之间所得的曲线即为拟合得到的弯管，弯管和两侧折线叠加拟合所得到的曲线即为根据工厂制作工艺拟合所得到的折线弯管预起拱曲线。

本发明的有益效果：

本发明在提供一种光热吸热器管束或管屏预应力施加方法的同时，提供光热吸热器预应力管束或管屏预起拱形状曲线的设计方法，通过本发明设计方法可以快速准确地设计出光热吸热器管束或管屏弯曲预起拱形状，按照本发明设计方法计算出的预起拱形状曲线对光热吸热器的管束或管屏施加预应力，可有效地提升光热吸热器管束或管屏承受最大热流密度的能力，从而使其既能满足常温强度要求，又能满足光照时吸热器在实际工作温度下的强度要求。

本发明光热吸热器管束或管屏预应力施加方法是基于预起拱形状曲线施加的，具有操作简单，过程易控、方法可靠等优点。在整个制作过程中，只需对各个控制点的位移量进行精确把控，即可实现目标预应力值的施加，完全满足光热吸热器管束或管屏预应力要求。

附图说明

图1为本发明一种光热吸热器预应力管束或管屏预起拱形状设计方法的流程示意图；

图2为示例1中步骤A模拟的不考虑管束起拱时的形状以及光照的能流密度图；

图3为示例1中步骤B根据上下端约束点求解得到的管束变形形状；

图4为示例1中步骤B根据管束变形形状反向对称后得到的初始起拱形状；

图5为示例1中步骤C预应力支点设置、预应力支点位移、中间位置位移分布图；

图6为示例1中经调整后的管束预起拱曲线与初始起拱形状曲线的对比；

图7为示例1中根据工厂制作工艺拟合为折线弯管预起拱曲线图；

图8为示例1中管束冷弯成型后形状结构示意图；

图9为示例1中管束弹性回压示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明一种光热吸热器管束或管屏预应力的施加方法，其具体流程如图1所示，包括以下步骤：

1)确定光热吸热器预应力管束或管屏预起拱形状曲线，包括：

步骤A求解温度场

根据光热吸热器管壁实际的热流密度输入和介质流量，计算管束或管屏的温度场。

步骤A求解温度场的目的是根据温度场的结果得到管束或管屏在实际工作时的变形形状。

具体地，根据光热吸热器管壁实际的热流密度输入和介质流量，通过流体力学(CFD)分析软件，计算管束或管屏的温度场；

进一步，所述流体力学(CFD)分析软件优选为Fluent，CFX，Star-CD，Phoenics中的一种或几种，本领域技术人员可以根据具体的使用要求和情况对软件进行选择，只要是能够根据热流密度和介质流量计算得到温度场的软件均可，而具体利用软件的计算过程和使用方法对于本领域技术人员来说是常规和容易实现的，在此不做具体说明和限制。

进一步，所述介质为空气、水、水蒸气、导热油、液态金属、熔盐等，对于聚光太阳能发电系统，熔盐工质由于导热率适中比热大的特点，具有良好的稳定性，可以作为良好的高温导热介质和蓄热介质。更进一步，所述熔盐优选为NaNO₃-KNO₃二元熔盐和NaNO₂-KNO₃-NaNO₃三元熔盐，每种成分的比重不同，直接影响熔盐的性能，应根据具体的使用需求进行选择。

在本步骤温度场的具体求解过程中，本领域技术人员可以根据实际的热流密度输入具体的介质种类，结合流体力学(CFD)分析软件对管束或管屏的温度场进行求解，其具体计算过程对于本领域技术人员是常规和容易实现的。

步骤B求解管束或管屏变形形状

将上述步骤A得到的温度场结果读入分析软件中，设置管束或管屏上下端的约束，中间不设置任何约束点，求解管子或管屏的变形形状。

步骤B求解管束或管屏变形形状的目的是根据步骤A得到的温度场结果，将其输入到具体的分析软件中，得到管束或管屏在实际工作时的变形形状。

具体地，将上述步骤A得到的温度场结果读入有限元(FEA)结构分析软件中，设置管束或管屏上下端的约束，中间不设置任何约束点，求解管子或管屏的变形形状。

进一步，所述有限元(FEA)结构分析软件优选为Ansys，ABAQUS，HyperWorks，Nastran等其中的一种或几种。本领域技术人员可以根据具体的使用要求和情况对软件进行选择，只要是能够根据温度场的结果计算得到管束或管屏的变形形状的软件均可，而具体利用软件的计算过程和使用方法对于本领域技术人员来说是常规和容易实现的，在此不做具体说明和限制。

设置管束或管屏上下端的约束，中间不设置任何约束点的目的是求解仅在温度作用下管束的变形形状，将该变形经过反向调整后作为弯曲形状的初始形状。为了求解单纯的温度作用造成的弯曲变形，不能对管束有过多的约束，所以本发明优选为在管束或管屏的上下端设置约束而中间不设置任何约束点。常见的约束实现为(不局限于)：约束一端的三个方向的平动自由度，但不能限制其绕弯曲方向的转动自由度，另一端约束平动自由度，但是不能限制管子轴向方向自由度和其绕弯曲方向的转动自由度。本发明管束或管屏具体约束设置对于本领域人员来说是常规和容易实现的，按照常规约束操作即可。

步骤C求解不考虑能流输入时常温状态的应力σ_p

将上述步骤B得到的变形形状反向，得到与其变形形状对称相反的形状作为初始起拱形状曲线，选好管束或管屏的预应力支点，设置好上下端约束，并在预应力支点处施加往直管轴线位置的位移δ₀，求解不考虑能流输入时常温状态的应力σ_p。

具体地，将上述步骤B得到的变形形状反向，得到与其变形形状对称相反的形状作为初始起拱形状曲线，并可根据工艺制作的特点进行拟合，确定为大致形状；然后选好管束或管屏的预应力支点，设置好上下端点约束，在预应力支点处施加沿向光面的位移δ₀，求解不考虑能流输入时常温状态的应力σ_p。

具体地，根据工艺制作的特点进行拟合，确定为大致形状，其目的是为了使得到的初始起拱形状曲线能够满足生产工艺要求，本领域技术人员可以根据本发明步骤E 的拟合方法将初始起拱形状曲线拟合成更便于生产实际要求的弯管或折线弯管，也可以根据本领域人员能够实现的拟合方式结合具体生产实际进行拟合，只要是能给实现满足生产工艺要求即可，在此不做具体限制。

进一步，所述预应力支点为两个，其与管束或管屏上下端的垂直距离为1/4L～ 1/3L，其中L为整个管束或管屏在轴向上投影的垂直长度；预应力支点与管束或管屏上下端之间的距离也只是指其与端点在管束或管屏轴向投影的垂直长度。这样设置预应力支点的原因是：光照的能流密度呈现近似正态分布的特点，管子中段附近的温度最高，中段附近的弯矩最大，应力最高；在预应力结构中，支点回压会形成反向弯矩，抵消温度引起的弯矩，以降低应力。在1/3至1/4区域附近设置两个回压点，所形成的预应力弯矩为梯形，可以很好控制预应力弯矩的大小，更容易控制应力抵消的多少。

另外，本步骤中“设置好上下端点约束”具体怎样操作和步骤B中的“设置管束或管屏上下端的约束”具体操作类似，按照步骤B的实现方式进行操作即可。

本步骤中，不考虑能流输入时常温状态的应力σ_p采用有限元软件进行求解，其求解公式和求解过程对于本领域技术人员来说是常规和容易实现的，按照本发明上述相关介绍，并结合有限元分析软件以及求解公式，可以实现对不考虑能留输入时常温状态的应力σ_p的求解。

步骤D确定调整系数k

根据上述步骤C获得的常温状态的应力σ_p，求解调整系数k：

其中，C为强度调整系数；

[σ]_t为工作温度下的材料许用应力值；

C为强度调整系数，具体为根据制造偏差、材料应力松弛以及蠕变造成的应力变化所考虑的安全系数的调整系数，其具体取值与制造工艺和材料本身特性相关，本领域技术人员在具体设定过程中可以根据制造工艺和材料本身所具有的特性进行设定，这对本领域技术人员来说是常规和容易实现的。进一步，所述C的取值范围为0.5＜ C＜1；更进一步优选为0.9。

[σ]_t为材料在工作温度下的许用应力值，通过查找材料标准即可获得。

步骤E确定管束或管屏的起拱曲线

将上述步骤C得到的位移δ₀乘以调整系数k得到的位移即为管束或管屏预起拱需要施加的实际位移δ_P＝kδ₀；将步骤C得到的初始起拱形状曲线乘以调整系数k即为本发明管束或管屏预起拱形状曲线。

进一步，所述管束或管屏预起拱形状曲线应根据工厂制造工艺，拟合为弯管或折线弯管。在光照下，管子的变形形状很复杂，与光照分布，内部介质流动状态，支点约束都相关，很难用一个曲线方程表示出来，只能近似拟合，为满足工厂制造，可以采用弯管或折管近似。实现方法是，提取有限元软件变形数据，在用数据处理软件拟合。也可截取1:1的有限元软件变形结果图，读入CAD软件，画图近似拟合即可。

更进一步，根据工厂制作工艺，将本发明通过上述方法得到的预起拱曲线拟合为折线弯管作为最终预起拱曲线，具体拟合过程如下：

根据上述步骤C在得到预应力支点处施加沿向光面的位移δ₀的同时也可以得到管束或管屏中点距离直管轴线位置的垂直位移即中间位置的位移δ_c；

折线弯管中弯管的半径通过以下公式计算得到：

上式中：L为整个管束或管束在轴向上投影的垂直长度；L₁为预应力支点与管束或管屏上下端之间的距离在其轴向上投影的垂直长度；δ_cp＝kδ_c；δ_p＝kδ₀。

具体工厂制作过程中，折线长度及斜率根据位移δ_p以及L₁来确定，最后以计算得到的弯管半径作圆弧，其与两侧折线交点之间所得的曲线即为拟合得到的弯管，弯管和两侧折线叠加拟合所得到的曲线即为本发明根据工厂制作工艺拟合所得到的折线弯管预起拱曲线。

2)根据预起拱形状曲线的形状对管束或管屏进行冷弯，冷弯后管束或管屏的形状与预起拱形状曲线的形状一致。

具体地，根据上述设计方法得到的预起拱形状曲线采用弯管机械对管束或管屏进行冷弯，冷弯后管束或管屏的形状与预起拱形状曲线的形状一致。

进一步，为了更加符合工厂制作工艺，管束或管屏进行冷弯的形状曲线优选为与拟合为折线弯管的最终预起拱曲线形状一致，即冷弯后的管束或管屏的形状由弯管和分布在弯管两侧的折线构成。具体的折线长度、斜率，弯管半径与前述得到的拟合为折线弯管的预起拱曲线一致。

本步骤中所述的冷弯的具体操作工艺及实现过程对于本领域技术人员来说是常规和容易实现的，本领域技术人员可以根据实际情况选择冷弯的工艺，只要是能实现管束或管屏的形状与预起拱形状曲线的形状一致的目的即可，

3)将经过上述冷弯后成型的弯状管束或管屏固定住，并消除弯管所引起的残余应力。

具体地，使用模具固定住冷弯后成型的弯管，并进行热处理以消除弯管所引起的残余应力，去除模具后管束或管屏应能保持预设计形状。

本步骤中所述的固定用磨具并没有具体结构限定，只要能将了冷弯后的弯管固定，进行热处理即可，而热处理的具体工艺及采用热处理消除残余应力的实现手段对于本领域技术人员也是容易实现的。

4)在预应力支点处对弯状管束或管屏进行平面内的弹性回压，使预应力支点压回到与管束或管屏两端点分布在同一直线上。

具体地，在弯管的预应力支点处使用机械设备对弯状管束或管屏进行平面内的弹性回压，使预应力支点压回到与管束或管屏两端点分布在同一直线上。此步骤中需要注意的是回压过程中应释放管束两端点的转动自由度，防止端部产生附加的弯曲应力。

5)当上述预应力支点处弹性回压完成后，将预应力支点处及管束或管屏两端点处固定，通过强制位移在管束或管屏中产生预应力，从而实现光热吸热器管束或管屏预应力的施加。

回压到预定位置以后，使用固定装置固定住预应力支点以及管束或管屏端点的位置，通过强制位移在管束中产生满足要求的预应力，从而实现光热吸热器管束或管屏预应力的施加。

下面结合具体示例对本发明一种光热吸热器预应力管束或管屏预起拱形状的设计方法及预应力施加方法进行解释和说明。

示例1

本示例1的CFD软件采用ANSYS Fluent 14.5

FEA软件采用ANSYS Mechanical 14.5

本示例采用一根管束来对本发明光热吸热器预应力管束或管屏预起拱形状的设计方法及预应力施加方法进行解释说明。其中，材料在工作温度下的许用应力 [σ]_t＝280MPa。

具体预起拱曲线的设计过程如下：

A求解工作工况下管束温度场

具体地，根据光热吸热器管壁实际的热流密度输入和介质流量，通过流体力学(CFD)分析软件，计算工作工况下管束温度场；

图2为本示例1中模拟的不考虑管束起拱时的形状以及光照的能流密度图，其中单根管束的质量流量为2.466kg/s，入口温度为290℃，通过ANSYS Fluent 14.5软件计算得到的管束温度场。

B求解工作温度下管束自由变形形状

将上述步骤A中求解得到的温度导入ANSYS Mechanical 14.5有限元结构分析软件中，并设置管束的上下端约束，中间不设置任何约束点。根据上下端的约束点，求解得到的管束变形形状如图3所示。

C求解初始起拱形状下的预应力σ_p

将上述步骤B得到的变形形状反向，得到与其变形形状对称相反的形状作为初始起拱形状曲线，如图4所示。将预应力支点设置为两个，分别设置与管束上下端垂直距离为1/4L～1/3L的位置，L为整个管束在轴向上投影的垂直长度。

待预应力支点设置完成以后，设置好上下端点约束。并在预应力支点处施加往直管轴线位置的位移δ₀，同时也可以得到管束中点距离直管轴线位置的垂直位移即中间位置的位移δc，预应力支点设置、预应力支点位移、中间位置位移分布如图5所示，计算得到预应力支点的位移δ₀＝2.33m，中间位置的位移δ_c＝3.198m。

利用有限元结构分析软件求解获得不考虑能流输入时常温状态Von-Mises当量应力最大值σ_p＝280.37MPa。

D确定调整系数k

根据上述步骤C获得Von-Mises当量应力最大值σ_p(＝280.37MPa)，确定调整系数k。

k＝C×[σ]_t/σ_p＝0.9×280/280.37＝0.899

其中：C＝0.9；[σ]_t＝280MPa；σ_p＝280.37MPa

E确定管束起拱的曲线

将上述步骤C得到的位移δ₀乘以调整系数k得到的位移即为管束预起拱需要施加的实际位移δ_P：

δ＝kδ₀＝0.899×2.33m＝2.095

将步骤C得到的初始起拱形状曲线乘以调整系数k即为管束预起拱形状曲线。经调整后的管束预起拱曲线与初始起拱形状曲线的对比结果如图6所示。图6中，曲线 a(Z向变形位移)为第二步计算得到的管束受光照的变形位移曲线，曲线b(初始起拱曲线)为第三步所采用的初始起拱曲线，是曲线a根据管束平面镜像的曲线；曲线c(调整后最终起拱曲线)为曲线b乘以调整系数k后所得的最终起拱曲线。

当然，也可以根据工厂制造工艺，将上述得到的预起拱曲线重新调整拟合为折线弯管曲线，作为所需的预应力起拱曲线。折线弯管拟合的具体过程为：

折线弯管中弯管的半径通过以下公式计算得到：

上式中：L为整个管束在轴向上投影的垂直长度；L₁为预应力支点与管束上下端之间的距离在其轴向上投影的垂直长度；δ_cp＝kδc；δ_p＝kδ₀。

本实例中，L＝17.6m，L₁＝4.4m，δ_p＝2.330m，δ_c＝3.198m，k＝0.899，δ_p＝2.095m，δ_cp＝2.875m，计算得到的弯管半径R_p＝11.795m。

折线长度及斜率根据位移δ_p以及L₁来确定，最后以计算得到的弯管半径作圆弧，其与两侧折线交点之间所得的曲线即为拟合得到的弯管，弯管和两侧折线叠加拟合所得到的曲线即为本发明根据工厂制作工艺拟合所得到的折线弯管预起拱曲线。本示例拟合得到的折线弯管如图7所示。

本示例光热吸热器管束预应力的施加方法过程如下：

1)根据上述设计方法得到的拟合后的折线弯管预起拱形状曲线，采用弯管机械对管束进行冷弯，使冷弯后管束的形状与预起拱形状曲线的形状一致。冷弯后管束的形状如图8所示，其中a、b为预应力支点，ca、bd为预留直段，ab段为弯管段，弯管半径设为R_p。

2)使用模具固定住成型的弯状管束，并进行热处理以消除弯管所引起的残余应力。去除模具后管束或管屏应能保持预设计形状。

3)在预应力支点a、b处使用机械设备弯状管束进行平面内的弹性回压，使预应力支点压回到与管束或管屏两端点分布在同一直线上，回压位移设为h，如图9所示。此步骤中需要注意的是回压过程中应释放管束两端点c、d和回压点的转动自由度，防止端部产生附加的弯曲应力。该过程中沿管子轴向只能限制一个点的平动自由度，其他点沿管子轴向的平动自由度不应限制，防止产生不利的轴向应力。

4)回压到预定位置以后，使用固定装置固定住预应力支点a、b以及管束端点c、d的位置，通过强制位移在管束中产生满足要求的预应力，即可完成本示例管束预应力的施加。具体地，回压到预定位置以后，使用固定装置固定住上端点c的平动自由度，使用固定导向装置限制下端点d以及回压点a、b的位置往回压方向自由度，但应该预留充分的热膨胀空隙，防止工作状态热膨胀产生的不利轴向应力，通过强制位移在管束中产生满足要求的预应力，即可完成本示例管束预应力的施加。本步骤中所提及到的固定装置或固定导向装置并没有具体限定，只要能实现本发明目的即可。

采用本发明施加方法对光热吸热器的管束预应力进行施加后，通过FEA有限元分析软件计算得到的回压固定后管束预应力分布状况与光热吸热器管束所需预应力分布状态一致，说明本发明施加方法能够达到预应力施加要求。

示例1 采用预起拱形状对管束施加预应力和非起拱管束对比

将本示例1采用预起拱形状对管束施加预应力与非起拱管束(不施加预应力)放在相同的光照强度下，考察其当量应力的最大值。其中，不预先采用本发明预起拱形状的非拱结构管束在其光照强度表的Von-Mises当量应力最大值为330MPa，超过了材料的屈服强度280MPa；而示例1管束按照预起拱形状施加预应力后其Von-Mises 当量应力最大值为164MPa，极大降低了应力水平，可见本发明进行预应力起拱形状的设计效果明显，能有效地提升光热吸热器管束或管屏承受最大热流密度的能力，从而使其即能满足常温强度要求，又能满足光照时吸热器在实际工作温度下的强度要求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种光热吸热器管束或管屏预应力的施加方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)确定光热吸热器预应力管束或管屏预起拱形状曲线，包括：

A、求解温度场

根据光热吸热器管壁实际的热流密度输入和介质流量，计算管束或管屏的温度场；

B、求解管束或管屏变形形状

将上述步骤A得到的温度场结果读入分析软件中，设置管束或管屏上下端的约束，中间不设置任何约束点，求解管子或管屏的变形形状；

C、求解不考虑能流输入时常温状态的应力σ_p

将上述步骤B得到的变形形状反向，得到与其变形形状对称相反的形状作为初始起拱形状曲线，选好管束或管屏的预应力支点，设置好上下端约束，并在预应力支点处施加往直管轴线位置的位移δ₀，求解不考虑能流输入时常温状态的应力σ_p；

D、确定调整系数k

根据上述步骤C获得的常温状态的应力σ_p，求解调整系数k：

其中，C为强度调整系数；[σ]_t为工作温度下的材料许用应力值；

E、确定管束或管屏预起拱曲线：

将上述步骤C得到的位移δ₀乘以调整系数k得到的位移即为管束或管屏预起拱需要施加的实际位移δ_P＝kδ₀；将步骤C得到的初始起拱形状曲线乘以调整系数k即为管束或管屏预起拱形状曲线；

2)根据预起拱形状曲线的形状对管束或管屏进行冷弯，冷弯后管束或管屏的形状与预起拱形状曲线的形状一致；

3)将经过上述冷弯后成型的弯状管束或管屏固定住，并消除弯管所引起的残余应力；

4)在预应力支点处对弯状管束或管屏进行平面内的弹性回压，使预应力支点压回到与管束或管屏两端点分布在同一直线上；

5)当上述预应力支点处弹性回压完成后，将预应力支点处及管束或管屏两端点处固定，通过强制位移在管束或管屏中产生预应力，从而实现光热吸热器管束或管屏预应力的施加。

2.如权利要求1所述一种光热吸热器管束或管屏预应力的施加方法，其特征在于，所述预应力支点为两个，其与管束或管屏上下端的垂直距离为1/4L～1/3L，其中L为整个管束或管屏在轴向上投影的垂直长度。

3.如权利要求1所述一种光热吸热器管束或管屏预应力的施加方法，其特征在于，步骤1)A中，所述温度场采用流体力学(CFD)分析软件进行计算；所述介质为空气、水、水蒸气、导热油、液态金属、熔盐中的一种或几种。

4.如权利要求1所述一种光热吸热器管束或管屏预应力的施加方法，其特征在于，步骤1)B中，所述分析软件为有限元(FEA)结构分析软件。

5.如权利要求1所述一种光热吸热器管束或管屏预应力的施加方法，其特征在于，步骤1)C中，所述初始起拱形状可以根据工艺制作的特点进行拟合，确定为大致形状。

6.如权利要求1所述一种光热吸热器管束或管屏预应力的施加方法，其特征在于，步骤1)D中，所述C的取值范围为0.5＜C＜1，所述C的取值为0.9。

7.如权利要求1所述一种光热吸热器管束或管屏预应力的施加方法，其特征在于，步骤1)E中，所述管束或管屏预起拱形状曲线可以根据工厂制造工艺，拟合为弯管或折线弯管。

8.如权利要求7所述一种光热吸热器管束或管屏预应力的施加方法，其特征在于，步骤1)E中，管束或管屏预起拱形状曲线拟合成折线弯管的具体拟合过程为：

步骤1)C在得到预应力支点处施加往直管轴线位置的位移δ₀的同时也可以得到管束或管屏中点距离直管轴线位置的垂直位移即中间位置的位移δ_c；

折线弯管中弯管的半径通过以下公式计算得到：

上式中：L为整个管束或管束在轴向上投影的垂直长度；L₁为预应力支点与管束或管屏上下端之间的距离在其轴向上投影的垂直长度；δ_cp＝kδ_c；δ_p＝kδ₀；

具体工厂制作过程中，折线长度及斜率根据位移δ_p以及L₁来确定，最后以计算得到的弯管半径作圆弧，其与两侧折线交点之间所得的曲线即为拟合得到的弯管，弯管和两侧折线叠加拟合所得到的曲线即为根据工厂制作工艺拟合所得到的折线弯管预起拱曲线。