一种碟式聚光器反射表面的抗冲击特性仿真模拟

刘 巍，宋 洁，韩 晓

（河海大学机电工程学院，江苏常州 213022）

0 引言

近年来，由于冰雹天气的发生，使得太阳能聚光碟片的抗冲击性面临着重大挑战，近几年聚光碟片表面的抗冲击特性的研究日益提上日程，成为人们关注的焦点。

中国农业大学丁敏等人对冰雹冲击下温室玻璃破损情景进行了数值模拟，但它只是对单层玻璃进行模拟分析；同济大学的童树庭等人分析了玻璃厚度、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)胶片厚度及其不同组合对夹层玻璃冲击强度的影响；Anderson 等人研究了石墨环氧树脂面板和泡沫的复合材料在低速冲击下的残余压痕的问题；M.Q.Nguyen 等人利用ANSYS/LS-DYNA 软件对蜂窝夹芯板进行了冲击模拟。

相对于单层的普通金属或非金属材料而言，聚光碟反射表面的抗冲击特性分析更为复杂。但是对于玻璃—粘胶—背板这种复合结构的聚光碟片抗冲击特性研究还未见有报道，其研究具有一定价值和意义。

1 落球试验标准

根据ANSI/UL1703 标准：当一电池板应用在具有代表性场合时，要承受6.78J 能量的冲击试验：即用直径为51mm，质量为535g 的光滑的钢球，从距试验件1.295m 的高度，内径52mm 的导管自由落下。

2 试验件有限元模型

本论文所模拟的聚光器的试验件尺寸是：玻璃100×100mm，粘胶100×100mm，背板100×100mm，背板背面四周同时固连厚度为1.5mm，高度为50mm 的加强筋。由于聚光碟的弧面曲率不是很大，且聚光碟刚性要求一个单元框格不能做得很大，因此玻璃、粘胶和背板近似成平面，加强筋都成正交形式的。

试验件模型示意图

玻璃采用非线性弹性材料，粘胶采用可压缩的非线性弹性材料，背板采用线性的弹性材料，各材料参数如下表：

3 结果分析

3.1 玻璃厚度为1.0mm，粘胶厚度0.5mm，背板和加强筋厚度1.5mm

整个冲击过程中，玻璃应力云图如下图所示从模拟的数据可以看出：玻璃的破坏形式主要是受拉破坏，在整个冲击过程中，1.0mm 的玻璃表面单元所受最大的拉应力为54.7Mpa，未达到玻璃的抗拉强度58.8Mpa，粘胶所受最大拉应力为0.15Mpa，远远低于其抗拉强度，背板所受最大拉应力为67.7Mpa。

3.2 玻璃厚度1.5mm，粘胶厚度0.5mm，背板和加强筋厚度1.5mm

在整个冲击过程中，玻璃应力云图如下图所示

从模拟数据看来，整个冲击过程，1.5mm 玻璃所受到的最大拉应力为46Mpa，未达到其抗拉强度58.8Mpa，粘胶所受的最大拉应力为0.15Mpa，背板所受到的最大拉应力为69.3Mpa。同1.0mm的玻璃相比可以得出，适当加厚玻璃，有利于提高反射玻璃的抗冲击性能。

3.3 玻璃厚度2.0mm，粘胶厚度0.5mm，背板和加强筋厚度1.5mm

在整个冲击过程中，玻璃应力云图如下图所示

从模拟的数据可以看出，玻璃在整个冲击过程中所受的最大拉应力为38.9Mpa，相比于1.0mm，1.5mm 的玻璃，2.0mm 的玻璃在相同冲击作用下，所受的拉应力更小，玻璃更不容易破坏。

4 结论

1）玻璃厚度为1mm、粘胶厚度0.5mm、背板和加强筋厚度1.5mm 的新型聚光碟片结构能抗住535g 的落球冲击，玻璃不会损坏。

2) 将玻璃加厚到1.5mm 或2.0mm 的聚光碟同样能抵抗住535g 的落球冲击，玻璃单元所受最大拉应力相比1.0mm 玻璃的最大拉应力有减小的趋势，这说明将玻璃加厚有利于提高反射玻璃的抗冲击性能。

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