大型太阳能面板减震结构分析及优化开题报告

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1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1 目的及意义 太阳能是人们一直不断研究的新型能量来源，并且越来越受到人们的重视。

特别是在海岛和航海船舶领域，太阳能光伏组件有着广泛的运用。

大型太阳能光 板的安装组建需要根据不同的使用环境进行特定的设计。

2. 研究的基本内容与方案

1.2 国内外研究现状 1.2.1 弹簧减震器的国内外研究现状 弹簧减振器是一种对位移反应灵敏的振动控制装置。通过弹簧的刚度及弹簧 预压缩的初始力，以减少或消除由于风力作用以及地震等原因引起的周期振动或 瞬时冲击。在结构中使用弹簧减震器是常用的减小振动的方法，用弹性支撑代替振源与 基座之间的刚性连接[3]，从而减少从该设备向支承结构或从支承结构向该设备 传递振动或冲击力。常见的弹簧减震器有螺旋形、碟形、环形和板形等如图 1.2.1 （1），并且广泛用于各种减震场合。 为了应对不同减震场合并提高弹簧的使用性能，已经进行了大量的研究。例 如，在汽车领域，使用汽车支柱式减震器将减震器和弹簧集成在一起[4]，用于 承担发动机、车身、底盘、货物和乘客的重量，同时缓和并衰减汽车行驶过程中 由于车速、路面 激励造成的冲击振动.。在建筑领域，将一种新型摩擦-SMA 弹 簧耗能支撑( FSB) 应用于周边支承单层球面网壳结构的减震控制。[5]根据大尺寸 SMA 螺旋弹簧的超弹性恢复力和摩擦耗能装置的滑动摩擦阻尼力，设计了一 种摩擦-SMA 弹簧复合耗能装置，能有效减少地震作用下周边支承网壳结构的总耗能。图 1.2.1（1）支柱式减震器三维模型 图 1.2.1（2） FSD 构造示意图 1.2.2 阻尼减震器的国内外研究现状 阻尼通常是指阻止物体的相对运动，而阻尼减振主要是应用阻尼材料的固有 特性及阻尼构造的合理设计来完成。主要是在以下部位使用阻尼减震器:支持、 联合缝或连接件、楼层空间、相部修建间、剪力墙、节点、主附构造间等，经过 阻尼设备使其发生冲突、曲折、改变、剪切、粘滞性滞回变形、弹塑性回变形、 粘弹性湘回变形来进行吸收多余震动的能量，防止构造发生损坏或坍毁的情况。阻尼减振器有下列益处：能够抑止共振频率下的振动峰值;减少振动沿构造的传 送;降低构造噪声。值得指出的是，阻尼对共振区的振动抑止最有效，对非共振 区其作用则不太显著。 为了应对不同振动场合并提高阻尼减震的使用性能，已经进行了大量的研 究。例如，在减震器自身优化方面，为了防止内部流体的动态现象降低阻尼能力， 相应的开发出具有透明壁的单管减振器原型的实验数据来诊断空化现象[6]。在 桥梁建筑领域，因为某些国内缆索式且承重大跨度的桥梁经过几年后出现梁端伸 缩缝损坏的现象 [7]。为解决这个问题，人们在普通的阻尼减震器的基础上，设 计出新型塔梁间弹性—阻尼复合连接器。这种新型结构构造，将蝶形机械弹簧与 液体黏滞阻尼器封装于一体( 机械弹簧密封于防腐、润滑油中)，并设置了受力 状态监控传感器，因此具有可靠耐久、维护方便、智能监控的特点[8]。在汽车领域，为提高汽车声学舒适性，研究充气的单管式减振器及其橡胶底座的阻尼特 性在 50- 150hz 频率范围内对悬架振动特性的影响[9]。在空投系统方面，创新型的软滴减震器（半被动单室气动减振器）被发明作为一个悬架空投系统设计的 快速递送小包裹[10]。这种减震器具有与半主动系统相似的效率，但由于结构简化，可靠性大大提高。图 1.2.2(1)弹性-阻尼复合式减震装置 图 1.2.2(2)充气单管减振器的设计1.2.3 太阳能光板在船舶应用领域的国内外研究现状

在面积有限的甲板上安装更多的光电伏组件，是太阳能能船舶在提高能源供 应必须解决的一个问题。一般情况下太阳能电池板的布置要根据船舶自身特点以 及船舶外形综合规划，尽量最大限度的利用太阳能。在铺盖太阳能电池般的时候， 要根据不同的船型不同的区域设计不同的太阳能电池板[11]。目前大部分的太阳 能船舶研究都是将大面积的太阳能光板平铺于甲板上，并没有采用延展性的支架 设计，将太阳能光板设计成可以延展收缩的结构。

2． 研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术 方案及措施 2.1 研究基本内容 本课题拟对比市面上常见的弹簧减震器，阻尼减震器以及弹簧阻尼复合减震 器，分析三种减震器在海上船舶的大型太阳能光板这种应用场合下的使用性能， 为以后的结构优化设计提供数据基础。 2.1.1 减震器结构静力学分析 在静力分析中，结构响应与施加在结构上的载荷和边界条件有关，使用有限 元方法可以求解得到应力、应变和位移在空间上的分布规律。假定固定不变的载 荷和响应（外部施加的作用力和压力，温度载荷等），分析减震器在稳态外载荷 所引起的变化。通过对结构进行划分网格，进一步计算得到结构内部的应力分布， 进而可得到材料的疲劳、寿命等。 2.1.2 减震器结构动力学分析 在外加动载荷作用下，减震器会发生振动，它的任一部分或者任意取出的一 个微体将在外载荷、弹性力、惯性力和阻尼力的共同作用下会处于达朗伯原理意义下的平衡状态。在进行动力学分析时，需要确定时变载荷对整个结构或部件的 影响，同时还要考虑阻尼及惯性效应的作用，以便确定结构的承载能力和动力学 特性，进而为改善结构的性能提供依据。比如在船舶行驶过程中受到的不规则的 风速而产生的不同风力的影响，从而疲劳寿命不同。 2.1.3 减震器模态分析 用于确定结构的振动特性，即固有频率和振型。在承受动态载荷的结构设计 中，固有频率和振型是重要的参数。将以上三种减震器的减震情况进行对比，例 如三种减震器在一定情况下的形变的大小，振动频率的高低，太阳能板的振动情 况等，得出结论，在不同的海况下可以使用什么减震器。 2.1.4 减震器结构分析及优化设计 在分析研究三种减震器在不同的情况下的静力学分析，动力学分析，模态分 析之后，对比并确定弹簧减震器，阻尼减震器，弹簧阻尼复合减震器的最佳使用 情形，为不同使用情况下各减震器的使用和优化建议提供数据基础及建议。 2.2 研究目标 对弹簧减震器，阻尼减震器，弹簧阻尼减震器进行静力学，动力学以及模态 分析，分析出不同情况下三种减震器的适应程度，并根据分析结果提出未来优化 改善的建议。 2.3 拟采用的技术方案及措施 2.3.1 减震器结构设计及建模 使用 Inventor 或者 SolidWorks 等建模软件对模型进行建立。寻找不同型号 的弹簧减震器以及阻尼减震器，将其装配到建立好的模型上。为下一步进行静力 学分析，动力学分析以及模态分析做准备。 2.3.2 减震器静力学分析 使用 ANSYS 软件，对两种不同减震器的情况进行静力学分析，针对不同的船 舶航行情况，如风力等级，船速大小等情况分别进行分析，分析其受到的弯矩， 扭矩[12]等。最后对比不同情况下不同减震器的减震情况。 2.3.3 减震器动力学分析第一步是通过考虑非线性来建立数学模型，其次是耦合非线性方程的数值 解，最后动力学分[13]使用 ANSYS 软件，对整个模型进行动力学分析，考虑受到 冲击，惯性作用，随机振动时，整个装置的受力以及形变情况，对比不同种类减 震器的作用。 2.3.4 减震器模态分析在模态分析中，经典的时域模态识别技术都使用相关函数方法，而这些方法使用脉冲响应函数作为主要数据。[14]使用 ANSYS 软件，考虑船舶在不同行驶情 况下受到来自不同频率冲击时，带有不同减震器的太阳能板的振动情况。最终确定整个装置的固有频率，了解不同减震器使用情况下的固有特性[15]。

3. 研究计划与安排

3． 进度安排 第 1-3 周 完成外文文献翻译以及开题报告 第 4-6 周 完成减震器结构设计及建模 第 7-8 周 完成减震器静力学分析 第 9-10 周 完成减震器动力学分析 第 10-12 周 完成减震器模态分析 第 13-14 周 基本完成论文初稿 第 15-16 周 完善论文，准备毕业设计答辩

4. 参考文献（不低于12篇）

阅读的参考文献不少于 15 篇（其中近五年外文文 献不少于 3 篇） [1]庞翔匀, 辛明远, 扈德威等. 减震器的发展与研究[j]. 科学与财富, 2019, (16)

[2]wang ruichen, gu fengshou, cattley robert, ball andrew. modelling, testing and analysis of a regenerative hydraulic shock absorber system[j]. energies. 2016, 9(5)

[3]曹静, 谭浩华, 荣光伟. 风机弹簧减震器的效率计算*[j]. 机械研究与应用, 2018, 第 31 卷(6):96-99.