1、分类号： 密级：U D C： 编号： 学 位 论 文性能驱动的袋式除尘器设计优化协同方法及应用技术指导教师姓名： 教 授 河北工业大学申请学位级别：硕 士 学科、专业名称： 仪器科学与技术论文提交日期： 年 月 论文答辩日期: 年 月学位授予单位： 河北工业大学答辩委员会主席：评 阅 人：年 月Thesis Submitted toHebei University of TechnologyforThe Master Degree ofInstrument Science and TechnologyOPTIMIZE COOPERATIVE METHODS AND APPLICATION TE
2、CHNOLOGYFORPERFORMANCE DRIVEN BAG FILTER DESIGN河北工业大学硕士学位论文性能驱动的袋式除尘器设计优化协同方法及应用技术摘 要产品设计的最终目的是为了满足用户的要求。随着科技的进步，用户对产品的性能提出了各种个性化的要求，这不但使得产品多学科知识协同设计优化成为必然，而且为了满足这些个性化的要求,产品的设计优化过程也不尽相同。因此，用户对产品性能的要求不但是设计的起点和终点，还是设计的主线贯穿整个产品设计优化过程。如何将用户对产品的性能要求进行知识转化，如何综合利用多学科的性能知识驱动整个产品的设计优化过程对于提高产品设计质量具有重要意义。本文通过研
3、究性能驱动产品设计理论及多学科优化理论（MDO），分析了多种 MDO 过程，在此基础上，将二者相结合，给出了性能驱动的 MDO 方法的工作原理及工作流程。采用知识处理技术对性能知识的处理，将用户对性能的要求映射成设计知识、产品设计方案以及设计优化过程控制策略，以此来实现性能驱动整个产品的设计优化过程。本文通过研究性能驱动的产品设计理论及多学科优化理论，分析了多种 MDO 过程，在此基础上，将二者相结合，给出了性能驱动的 MDO 方法的工作原理及工作流程。采用知识处理的方法对性能知识进行转化，将用户对性能的要求知识映射成设计知识、产品设计方案以及设计优化过程控制策略，以此来实现性能驱动整个产品的
4、设计优化过程。本文采用 VC，ANSYSWorkBench 和 ISIGHT 等工具平台集成了 ANSYS、FLUENT、 CFX 等学科分析工具软件，组建了用于袋式除尘器设计优化的性能驱动的 MDO 软件平台。最后，以袋式除尘器的花板部件的设计优化为例验证了性能驱动的 MDO 方法的可行性及性能驱动的 MDO 软件平台的可操作性。关键词：性能驱动，MDO，知识处理，协同设计优化i性能驱动的袋式除尘器设计优化协同方法及应用技术OPTIMIZE COOPERATIVE METHODS AND APPLICATIONTECHNOLOGY FORPERFORMANCE DRIVEN BAG FILT
5、ER DESIGNABSTRACTThe ultimate goal of product design is to meet the requirements of the customers. With the progress of science and technology, the user puts forward all kinds of personalized requirements of the products performance, which not only make product multidisciplinary, collaborative desig
6、n optimization knowledge become inevitable, in order to meet these requirements of personalized products,the design and optimization process are also different. Therefore, user requirements of the products performance make the design not the beginning or the end of the line, but throughout the entir
7、e product design and optimization process. How to chanslate the products performance of user for knowledge, how to comprehensive utilize the multi-disciplinary performance knowledge to drive the entire product design and optimization process, has a great significance on improving the product quality
8、This paper, through studying product design theory and performance driven multidisciplinary optimization theory (MDO), analyzing on various MDO process, on this basis, combining both, and then given out the performance driven MDO method of working principle and working process.Using knowledge proces
9、sing technology on the transformation of performance knowledge, making the user requirements of performance mapping into design knowledge、 product design scheme, and the control strategy of optimized design process, so as to realize performance driven the entire product design and optimization proce
10、ss.We adopts the VC, ANSYS WorkBench and ISIGHT tools integrating the analysis software such as ANSYS, FLUENT, CFX and so on, established MDO software platform for optimization of bag filter performance .Finally, take the optimization of flower board of bag filter for example to verify performance d
11、riven MDO method is feasible and performance driven MDO software platform is maneuverability.KEY WORDS：Performance driven, MDO, knowledge processing, collaborative design optimizationii河北工业大学硕士学位论文目 录摘要 .iABSTRACT .ii第一章 绪论 .11-1 课题提出的背景和意义 .11-1-1 课题提出的背景 .11-1-2 课题的意义 .21-2 国内外研究现状 .21-2-1 性能驱动的产品
12、设计理论 .21-2-2 多学科设计优化理论 .31-3 论文的研究思路 .41-4 论文的研究内容及结构安排 .5第二章 性能驱动的 MDO 方法 .62-1 性能驱动的产品设计方法 .62-1-1 性能驱动的产品设计方法相关概念 .62-1-2 性能知识的定义 .62-1-3 性能知识的分类 .92-1-4 两种性能驱动的产品设计方法 .102-2 MDO 方法 .102-2-1 MDO 方法概述 .102-2-2 MDO 过程概述 .122-2-3 MDO 过程方法分析 .132-3 性能驱动的 MDO 方法 .202-3-1 性能驱动的 MDO 方法描述 .202-3-2 性能驱动的
13、MDO 方法原理 .212-3-3 性能驱动的 MDO 方法结构流程 .212-4 本章小结 .22第三章 性能驱动的 MDO 方法实现 .233-1 性能知识处理 .233-1-1 性能知识获取 .233-1-2 性能知识表示 .253-1-3 性能知识过滤 .283-1-4 性能知识推理 .283-1-5 性能知识重用 .303-1-6 性能知识的驱动方式 .31iii性能驱动的袋式除尘器设计优化协同方法及应用技术3-2 产品的设计优化过程控制 .323-2-1 多尺度设计优化过程选择 .323-2-2 多学科设计优化过程选择 .333-3 本章小结 .37第四章 性能驱动的 MDO 软件
14、平台 .384-1 软件平台的功能 .384-2 软件平台的总体结构 .384-3 软件平台的模块设计 .394-3-1 底层工具软件模块设计 .394-3-2 数据库模块设计 .404-3-3 专家系统模块设计 .414-3-4 设计优化模块设计 .444-3-5 各模块协同工作设计 .454-4 本章小结 .46第五章 袋式除尘器设计优化实例 .475-1 花板性能知识处理 .475-2 花板设计优化 .485-2-1 花板设计模型 .485-2-2 花板协同优化 .505-3 花板协同优化结果分析 .535-4 本章小结 .54第六章 总结与展望 .556-1 全文总结 .556-2 工
15、作展望 .56参考文献 .57致谢 .60攻读学位期间所取得的相关科研成果 .61iv河北工业大学硕士学位论文第一章 绪论1-1 课题提出的背景和意义1-1-1 课题提出的背景随着市场竞争日益激烈和经济全球化，用户对产品个性化和多样化的要求越来越迫切，同时产品的复杂程度越来越高，涉及的技术和科学领域越来越多，传统的设计理论和方法已经不能适应现在的市场要求。为了适应现在的市场要求，国内外学者提出了性能驱动的产品设计方法。性能驱动的产品设计思想认为 11， 20-23，产品的性能是产品的功能在内部联系和外部联系中表现出来的能力。设计活动都是以知识为基础的从需求空间到解空间的转化过程，性能驱动的产品
16、设计过程也就是由产品的性能特征到结构特征的映射过程。在功能质量-体系下，针对是用户对产品性能的需求，狭义的性能驱动的产品设计方法解决了产品性能具体的量化的问题。狭义的性能驱动的产品设计思想认为，一个产品可以用它的性能特征模型来描述，包括其功能、功能参数、功能参数值。产品性能有多样性，每种性能都可能被用来发挥不同的功能，或综合几种性能发挥某种功能。质量是产品保持其功能的能力，产品的质量一般以其性能指标值对目标值的变差大小来评定。产品的全部性能特征构成了产品的性能特征模型。产品的结构特征模型是建立在产品的装配关系基础上的层次模型。产品设计过程其实就是建立两种模型的过程，建立性能特征模型的过程即为概
17、念设计过程，建立结构特征模型的过程即为详细设计过程。产品设计的最终目的是为了满足用户对产品的性能的要求。因此，狭义的性能驱动的产品设计方法的核心内容就是，性能是设计的起点和完成标志。在反馈-作用体系下，针对整个产品设计过程中产品在不同设计阶段所受的作用以及对作用的反馈，广义性能驱动产品设计方法，对性能驱动的产品设计方法进行了补充和深化。通过对性能定义的扩充，广义性能驱动设计方法将设计过程中产品所受到作用以及产品受到作用后的反馈用性能知识表示出来。实现了对性能驱动产品设计整体过程和其子过程之间、各子过程之间、设计过程中产品整体与产品部件之间、产品各部件之间是如何相互作用的进行描述。由于工业产品性
18、能要求的复杂性，性能驱动的产品设计过程涉及多个学科知识交叉与融合，涉及的子系统数目多、关联关系和相互制约关系复杂。传统的串行设计方式的忽视了各系统之间的相互影响，并没能充分利用各个学科之间相互耦合所产生的协同效应，降低了系统总体性能和系统整体的最优性。因此，这种设计方法只能获得系统局部最优解，有可能失去全局最优解。而且这种设计方法设计周期较长、成本高，不能适应越来越多，并且越来越苛刻的设计要求的发展趋势。多学科优化设计(Multidiseiplinary Design Optimization，MDO)正是针对这一问题提出的，它是在传统设计优化理论的基础上针对现代工程设计特点，并与信息技术相结
19、合发展起来的。 24MDO 方法要求设计者在进行复杂系1性能驱动的袋式除尘器设计优化协同方法及应用技术统的设计时，要充分考虑各学科间的相互耦合关系，并利用适当的方法将系统分解为以学科为基础的模型，然后根据学科之间的相互关系，通过特定的设计优化过程协调和控制这些子系统，从而最终获得系统的全局最优解。 25综上所述，性能驱动的产品设计方法其核心是产品的性能知识，它贯穿整个产品设计过程。性能驱动的产品设计过程其实就是如何对产品性能知识进行描述、深化与应用的过程，也就是性能知识协同作用的过程。而且，性能驱动产品设计优化过程是一个非常复杂的过程，它需要集合多学科领域的性能知识和丰富的实践经验的支持，再通
20、过对性能知识的综合分析和充分利用，获得合理的设计方案解。因此，如何根据产品全生命周期中各个阶段的性能需求，对产品性能知识进行组合和创造、性能分解、性能知识转化以及性能和其子性能相互关联的结构设计，以实现满足性能需求和结构要求的产品设计方案；如何根据用户对产品性能不同的要求选择和控制设计优化过程，以此满足用户对产品性能个性化的要求，成为性能驱动的产品设计优化方法亟待解决的问题。1-1-2 课题的意义为了解决上述问题，本文对 “功能-质量” 体系下的狭义性能知识和在 “作用-反馈” 体系下的广义性能知识的定义和分类进行了分析，对现有的两种性能知识驱动的产品设计方法行了分析对比，阐述了两种性能驱动的
21、产品设计方法的特点和作用。针对现代产品设计过程中涉及多学科知的特点，研究多学科设计优化方法，重点分析了设计优化过程，比较了几种过程方法。本文给出了驱动产品设计的性能知识获取、表示、过滤、推理和重用方法，通对性能知识的处理来实现将用户要求转化成性能知识，通过性能知识来生成产品设计方案和设计优化过程控制策略，以此来实现性能驱动整个产品的设计优化过程。以此，为性能驱动的 MDO 方法在产品设计优化过程中的应用提供理论基础。通过搭建性能驱动的MDO 软件平台和袋式除尘器花板实例的验证，证实了采用性能驱动的 MDO 方法对产品进行设计优化，不仅可以缩短产品研发周期，而且可以显著地改善产品综合性能，以此，
22、帮助设计人员能快速地按照用户产品性能的要求完成优化设计的过程。从而为在产品的设计优化过程中应用性能驱动的 MDO 方法提供技术支持。1-2 国内外研究现状1-2-1 性能驱动的产品设计理论谢友柏 11在功能- 质量体系下，中给出了性能的严格定义：性能是功能和质量的集成。而“质量”又被定义为功能实现和保持。为了补充和深化性能驱动产品设计理论，魏喆 20在作用-反馈体系下提出了广义性能的定义。并将狭义性能分为使能性能和目标性能，广义性能分为结构性能和行为性能，并且认为广义性能和行为性能并不是对立的而是相辅相成的，并将这种分类方法应用于复杂机电产品的设计过程中，取得了良好的设计效果。SuhNP 12认为用户对产品的要求是从性能出发的，是设计的起点和完成的标志，性能特征应当成为控制整个设计过程的基本特征。设计过程就是在“要达到什么( 性能)”和“如何达到( 即解决方案) ”之间反复迭代的过程性的度量。Kalay 13认为形式或结构、功能和环境共同2
