荊 棟，宗治方

(山東理工大學 交通與車輛工程學院，山東 淄博 255049)

陶瓷型太陽能板爆裂的力學原因分析

荊 棟，宗治方

(山東理工大學 交通與車輛工程學院，山東 淄博 255049)

陶瓷型太陽能板在換水時受到急冷溫度變化易發(fā)生爆裂，嚴重影響正常使用。本文以正在使用的陶瓷型太陽能板為模型，利用UG軟件按照1:1的比例建立三維實體模型，導入ANSYS軟件建立有限元模型，模擬其在實際使用中所經(jīng)歷的熱力學條件，進行了計算，分析陶瓷型太陽能板發(fā)生爆裂的力學原因，為進一步改進其結構提供依據(jù)。

陶瓷型太陽能板；爆裂；力學分析；數(shù)值模擬

0 引 言

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

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

1 陶瓷型太陽能板的模型建立

1.1 陶瓷型太陽能板三維實體模型

目前，常見的陶瓷型太陽能板都是大通道、直通式扁盒結構，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能板生坯，再將生坯加熱到1210 ℃，燒結成型。

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

陶瓷型太陽能板為對稱結構，在保證計算精度的同時，為提高計算速度，取太能板的1/4模型即可；故在ANSYS軟件中進行有限元分析計算時，僅對太能板的1/4模型進行有限元分析計算，建立了陶瓷型太陽能板的1/4模型，如圖2所示。

1.2 有限元模型的建立

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

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

圖3 導入AYSYS軟件中Divide后的1/4陶瓷型太陽能板模型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

有限元計算過程中，網(wǎng)格的劃分尤其重要，其劃分的質(zhì)量直接影響到計算的精度和速度。陶瓷型太陽能板的1/4三維實體模型結構較為復雜，為得到質(zhì)量較好的網(wǎng)格，對導入ANSYS軟件的模型進行Divide，Divide為多個比較小的實體，再對所有比較小的實體Glue形成一個整體，如圖3所示，最后劃分網(wǎng)格。

陶瓷型太陽能板的板壁厚度(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軟件進行分析計算時選用實體單元更加符合實際情況。因此，選擇單元類型為熱分析四面體單元SOLID87，它能很好的模擬該復雜三維模型。

陶瓷型太陽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，其向陽表面的立體網(wǎng)狀黑瓷層主要作用是吸收陽光，對基體強度的影響可以忽略，在分析計算時不再予以考慮。堇青石平板陶瓷的性能參數(shù)為[13,14]：導熱系數(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：導熱系數(shù)4.25 W·(m·K)-1，比熱容840 J·(kg·℃)-1，密度2840 kg·m-3。對三維實體模型離散化，建立其有限元模型，如圖4所示。

2 理論分析和有限元計算

2.1 理論分析

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

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

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由牛頓冷卻公式[14]：

q=h(tw-tf)式中：q為陶瓷型太陽能板對水的熱流密度，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為陶瓷型太陽能板內(nèi)壁面溫度，取值為tw=100 ℃；tf為自來水的溫度，取值為tf=15 ℃。得到表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h=9.32 W·m-2·K-2。

2.2 有限元計算

在ANSYS軟件中對模型進行有限元計算，步驟如下：

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

(2)模型水道內(nèi)表面設置初始溫度為100 ℃，設置其在1 s內(nèi)完成換水，即時間歷程為1 s，時間步長為0.2 s，設置溫度補償量為273(實際計算的0度與絕對0度的差值)，讀取每一載荷步的結果，寫入溫度場物理分析文件；

(3)為使溫度場的熱載荷對應力場分析沒有影響，清空當前溫度場數(shù)據(jù)，并刪除在溫度場施加的對流換熱載荷；

(4)從熱分析單元轉換為結構分析單元，轉換后的單元類型為四面體單元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)在工程實際中，陶瓷型太陽能板的入水口處相當于固定端，故計算時，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)陶瓷型太陽能板在實際中工作時的溫度不低于15 ℃，定義分析參考溫度為15 ℃；

(7)寫入應力場物理分析文件，并讀取溫度場物理分析文件進行求解，求解得到陶瓷型太陽能板的溫度云圖(圖6)；

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

(8)讀取溫度場物理分析文件并讀取溫度場結果進行應力場求解，求解得到陶瓷型太陽能板的溫度場和應力場共同作用產(chǎn)生的應力云圖(圖7)和位移云圖(圖8)。

2.3 計算結果討論

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

圖7 1/4模型的應力場分布云圖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

對上述計算結果進行如下討論分析：

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

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

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

(3)由位移云圖，陶瓷型太陽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)域沒有約束，相同力學條件下，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，在換水過程中材料的形變對其影響較大，進而易發(fā)生爆裂。

3 結 論

本文就陶瓷型太陽能板在換水時，受到急冷溫度變化載荷易發(fā)生爆裂的問題，進行了計算分析。用UG軟件建立了陶瓷型太陽能板的三維實體模型，在ANSYS軟件中模擬了其實際工作中所受的邊界條件，得出了此過程中的溫度、應力和位移云圖，分析討論了陶瓷型太陽能板在換水時受急冷溫度變化載荷易發(fā)生爆裂的原因，為陶瓷型太陽能板的進一步改良提供了參考依據(jù)，計算分析結果與圖9所展示的真實情況吻合。對陶瓷型太陽能板的結構進行改良時，可以考慮減少陶瓷型太陽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?？萍加媱濏椖?編號：J14LB58)；國家自然科學基金資助項目(編號：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