定日镜作为塔式太阳能热发电系统中的重要聚光设备,其不仅数量众多、占地面积巨大,而且是塔式太阳能热发电站的主要投资部分,其建造费用约占发电系统总造价的一半以上。定日镜的主要作用是跟踪太阳运动并将接收的太阳光反射到远处吸收塔顶部的集热器上。由于太阳能热发电站通常位于平坦开阔的场地,大气流动所形成的风荷载将直接作用在定日镜上使结构产生挠曲变形,从而导致反射到吸收塔上的光斑散焦,影响整个发电系统的聚光效率和发电功率,严重时甚至会引起定日镜发生风致倾覆和倒塌破坏,从而造成重大的经济损失。因此,开展定日镜抗风性能和轻量化设计研究,对于提高定日镜的安全性和耐久性以及减小电站投资具有十分重要的意义。本课题在国家自然科学基金《定日镜齿轮系统精密传动特性及传动精度控制》(51075407)和重庆市研究生科研创新项目《复杂荷载作用下塔式太阳能定日镜聚光效率研究》(CYB14010)的资助下,围绕定日镜的风流场特性、风致结构响应和轻量化设计等问题展开研究工作,主要内容包括以下几个方面:(1)基于计算流体动力学方法,建立定日镜数值风洞模型,并对100种位置状态下定日镜结构的风流场特性进行分析,从而得到反射镜面上平均风压分布随俯仰角和方位角的变化规律,并对其产生原因进行相应的解释;通过对定日镜在各位置状态下的阻力系数、侧向力系数、升力系数、侧向力矩系数、俯仰力矩系数、方位力矩系数以及合力系数和合力矩系数的对比分析,得到各系数最大值时定日镜所对应的空间位置状态。根据脉动风速(风压)功率谱和AR模型,利用Matlab程序得到不同高度处具有空间相关性的脉动风速(风压)时程样本以及相应的功率谱密度函数曲线,并对数值模拟结果的合理性和准确性进行检验。(2)基于弹性薄板弯曲理论,分别采用镜面挠曲变形的大、小挠度弯曲模型对不同边界条件下反射镜镜面的力学模型进行研究,并通过有限元仿真验证理论模型的正确性,同时对影响镜面挠厚比的镜面风压和长厚比进行分析。(3)针对传统优化方法在定日镜轻量化设计过程中表现出的灵敏度依赖性和计算低效性等缺陷,提出将响应面模型与序列二次规划算法相结合的方法。该方法在保证定日镜强度、刚度和动态性能等要求的基础上,对风场作用下产生非线性响应的定日镜结构进行轻量化设计。首先利用数值风洞模型和Davenport功率谱分别得到作用在反射镜面上的静态风荷载和脉动风频率,通过拉丁超立方试验设计方法得到充满整个设计空间的试验样本点,并进行相应的数值仿真分析,再建立各响应值关于15个设计变量的二阶响应面模型,并采用序列二次规划算法进行定日镜轻量化设计。(4)针对定日镜抗风设计过程中仅考虑纵向风而忽略竖向风和横向风对结构响应的问题,提出利用不同方向上的脉动风压功率谱和AR模型进行三维脉动风场的时程模拟,并将平均风荷载和脉动风荷载共同作用在建立的定日镜有限元模型上,通过对5种典型位置状态下定日镜的动力特性和风致动态响应分析,得到风场各分量荷载对结构响应的影响。(5)利用数值风洞模型对不同避险停放位置处定日镜的风荷载系数进行模拟计算,并在特征值屈曲分析的基础上确定定日镜的最佳避险停放位置,再利用弧长法对具有非线性效应和初始几何缺陷的定日镜结构进行非线性后屈曲特性的荷载—位移全过程跟踪分析,最后根据B-R运动准则和位移相等原则判定结构动力失效的临界风速和稳定承载极限。