1、分类号 ： 密级 ： UDC ： 编号 ： 学 位 论 文基于仿真驱动的袋式除尘器虚拟测试方法及应用研究河北工业大学硕士学位论文i基于仿真驱动的袋式除尘器虚拟测试方法及应用研究摘 要产品设计过程经历了直觉设计-面向图纸设计-计算机辅助设计-数字化设计四个阶段， 数 字 化 设 计 方 法 是 利 用 虚 拟 样 机 技 术 ， 实 现 了 产 品 开 发 全 过 程 的 数 字 化 ， 从 而 可 以 减 少 物理 样 机 的 使 用 。 尤 其 是 对 于 结 构 复 杂 、 不 便 于 使 用 实 际 物 理 样 机 作 测 试 和 修 改 对 象 的 情 况 ， 虚拟 样 机 的 使 用
2、 显 得 非 常 必 要 。本 文 通 过 对 大 型 环 保 设 备 袋 式 除 尘 器 建 立 基 于 仿 真 驱 动 的 虚 拟 测 试 系 统 ， 将 袋 式 除 尘器 产 品 的 设 计 的 全 过 程 完 全 利 用 计 算 机 实 现 ， 大 大 减 少 了 袋 式 除 尘 器 物 理 样 机 测 试 的 复 杂性 。 本 文 研 究 的 目 的 就 是 利 用 虚 拟 测 试 技 术 ， 建 立 一 个 可 以 用 于 袋 式 除 尘 器 产 品 设 计 的 虚 拟测 试 系 统 ， 便 捷 的 完 成 对 袋 式 除 尘 器 性 能 的 测 试 ， 并 可 根 据 用 户 需
3、 求 组 建 新 的 测 试 系 统 。 通 过虚 拟 测 试 系 统 的 建 立 ， 对 袋 式 除 尘 器 的 各 方 面 性 能 进 行 研 究 ， 一 方 面 可 以 进 一 步 弄 清 袋 式 除 尘器 的 清 灰 、 过 滤 的 机 理 ， 确 定 各 参 数 对 除 尘 效 率 的 影 响 ； 另 一 方 面 可 以 为 更 加 深 入 的 研 究 指 出方 向 ， 为 将 来 开 发 更 加 优 秀 的 袋 式 除 尘 器 打 下 良 好 的 基 础 。本 文 针 对 产 品 设 计 中 的 虚 拟 测 试 问 题 ， 重 点 研 究 了 袋 式 除 尘 器 产 品 虚 拟 样
4、 机 设 计 中 的流 场 均 匀 性 、 清 灰 性 能 、 过 滤 性 能 、 结 构 性 能 、 整 机 性 能 的 虚 拟 测 试 方 法 及 袋 式 除 尘 器 基本 参 数 的 查 询 和 最 终 结 果 的 验 证 七 个 测 试 环 节 。 最 后 ， 通 过 袋 式 除 尘 器 进 风 口 流 场 均 匀 性的 测 试 ， 证 实 了 虚 拟 测 试 模 型 及 虚 拟 测 试 系 统 的 正 确 性 和 可 行 性 。关 键 词 ： 产 品 设 计 ， 仿 真 驱 动 ， 虚 拟 样 机 ， 虚 拟 测 试 ， 袋 式 除 尘 器基于仿真驱动的袋式除尘器虚拟测试方法及应用研
5、究iiRESEARCH ON SIMULATION-BASED FOR BAG FILTER VIRTUAL TEST METHOD ANDAPPLICATIONABSTRACTProduct design process is divided into four stages ： the intuitive design-design drawings-computer-aided design-digital design, Digital design make use of virtual prototypingtechnology, make it possible to compl
6、ete the whole process of product development in digital, which may reduce the use of physical prototypes.The virtual prototyping technology is necessary especially when facing complex models problems and where Actual physical prototypes for testing and modifying objects is inconvenient.In this paper
7、,the entire process of bag filter design has completed with computer,in the simulation-based virtual test system for the large environmental protection equipment- bag filter, this greatly reduced the complexity of the physical prototype testing. The purpose of this research is make use of Virtual te
8、st technology establish a system which can be used for the virtual test design for bag filters, make it convenient to complete the bag filter performance test, also can form a new test system following users needs.Do research on bag filter for the performance of all aspects according to the process
9、of the establishment of virtual test system, further research on cleaning bag filter,filter mechanism,and parameters set for dust removal efficiency,and this will guide further research on bag filter make a foundation for better bag filter design.For the problem of virtual test in product design,the
10、 research focus on seven test links:uniformity of flow flied,cleaning performance,filter performance,structural performance, virtual machine performance methods,the query method for basic bag filter parameters, validation of final results.Finally,the correctness and feasibility of the virtual test a
11、nd models was confirmed by the uniformity test on bag filter inlet flow field.KEY WORDS: product design, simulation-driven, virtual prototyping, virtual testing, bag filter河北工业大学硕士学位论文iii目录第一章 绪 论 .11-1 产 品 设 计 的 概 念 和 发 展 . 11-2 虚 拟 样 机 技 术 的 提 出背景 . 11-3 课 题 研 究 的 国 内 外 发 展 现 状 . 21-4 课 题 研 究 的 必
12、要性 . 31-5 本 课 题 的 研 究 内容 . 4第二章 虚 拟测试技 术 .62-1 虚 拟 测 试 的 定 义 . 62-2 虚 拟 测 试 方法 . 62-2-1 基 于 虚拟 仪器 的虚 拟测 试 技术 .62-2-2 基 于 虚拟 现实 的虚 拟测 试 技术 .82-2-3 基 于 仿真 软件 的虚 拟测 试 技术 .92-3 仿 真 驱 动 理 论 . 102-3-1 仿 真 驱动 的定 义 .102-3-2 仿 真 驱动 的背 景 .102-3-3 基 于 仿真 驱动 的虚 拟样 机 理论 .102-3-4 袋 式 除尘 器的 三维 建模 .122-4 基 于 仿 真 驱
13、动 的 虚 拟测 试 技 术 . 142-4-1 基 于 仿真 驱动 的虚 拟测 试 理论 .142-4-2 基 于 仿真 驱动 虚拟 测试 的 测试 方法 .152-4-3 基 于 仿真 驱动 的虚 拟测 试 理论 工作 原理 .162-5 本 章 小 结 . 17第三章 袋 式除尘器 测试 技术研究 .193-1 袋 式 除 尘 器 的 定 义 和 类 型 . 193-1-1 袋 式 除尘 器的 定义 .193-1-2 袋 式 除尘 器的 类型 .193-1-3 袋 式 除尘 器的 形式 .193-2 袋 式 除 尘 器 物 理 样 机的 测 试 . 203-2-1 袋 式 除尘 器试 验
14、样 机性 能 测试 的测 试项 目 .203-2-2 试 验 装置 的选 择 .203-2-3 试 验 粉尘 的测 试要 求 .213-2-4 入 口 和出 口质 量的 测试 要 求 .213-2-5 入 口 和出 口粉 尘浓 度的 测 试要 求 .253-2-6 出 口 粉尘 浓度 和粉 尘排 放 率的 测试 要求 .263-2-7 过 滤 速度 、设 备阻 力和 除 尘率 的测 试要 求 .263-2-8 漏 风 率的 测试 要求 .28基于仿真驱动的袋式除尘器虚拟测试方法及应用研究iv3-2-9 耐 压 强度 的测 试要 求 .283-3 袋 式 除 尘 器 虚 拟 样 机的 测 试 .
15、 283-3-1 袋 式 除尘 器虚 拟样 机的 测 试及 需求 分析 .283-3-2 袋 式 除尘 器虚 拟样 机的 测 试内 容 .293-4 袋 式 除 尘 器 虚 拟 测 试 系 统 的 关 键 技 术 . 293-5 本 章 小 结 . 31第四章 基 于仿真驱 动 的袋式除尘器 虚 拟样机测试技术 .324-1 虚 拟 测 试 平 台 的 建 立 . 334-2 虚 拟 测 试 系 统 的 仿 真模型 . 334-3 基 于 仿 真 驱 动 的 袋 式除 尘 器 虚 拟 测 试 平 台 . 344-3-1 基 于 仿真 驱动 的袋 式除 尘 器虚 拟测 试系 统的 开发过 程 .
16、344-3-2 袋 式 除尘 器流 场实 验测 试 模块 .374-3-3 袋 式 除尘 器清 灰试 验测 试 模块 .394-3-4 袋 式 除尘 器过 滤试 验测 试 模块 .454-3-5 袋 式 除尘 器结 构性 能测 试 模块 .464-3-6 袋 式 除尘 器整 机测 试模 块 .484-3-7 袋 式 除尘 器基 本参 数数 据 库 .494-3-8 袋 式 除尘 器测 试数 据验 证 模块 .524-4 本 章 小 结 . 54第五章 基 于袋式除 尘 器虚拟样机的 流 场测试 .555-1 流 场 测 试 存 在 问题 . 555-2 FLUENT 中的 解决 方 案 .55
17、5-3 袋 式 除 尘 器 流 场 测 试 解 决 方 案 一 . 605-4 袋 式 除 尘 器 流 场 测 试 解 决 方 案 二 . 615-5 本 章 小 结 . 62第六章 总 结与展望 .636-1 总结 . 636-2 展望 . 63参考文献 .65致谢 .68攻读学位期间所 取 得的相关科研成 果 .69河北工业大学硕士学位论文v符号说明缩写词：CAD 计算机辅助设计， Computer Aided DesignCIMS 计算机集成制造系统， Computer Integrated Manufacturing SystemCE 并行工程，Concurrent Engineeri
18、ngVP 虚拟样机，Virtual PrototypeVT 虚拟测试，Virtual TestVTS 虚拟测试系统，Virtual Test SystemVI 虚拟仪器，Virtual Instrument 或 Virtual InstrumentationLabVIEW 实验室虚拟仪器工程工作平平台， Laboratory Virtual Instrument Engineering WorkbenchMATLAB 矩阵实验室，Matrix LaboratoryVR 虚拟现实，Virtual RealityVVTS 汽车虚拟测试系统，Vehicle Virtual Test SystemVT
19、est 虚拟测试，Virtual Test 或 Virtual TestingCOTS 集成通信技术，Commercial Off-The-ShelfVTB 虚拟测试工作台，Virtual Test BenchIPT 集成产品开发团队，ntegrated Project TeamCAX 计算机辅助集成，Computer Auxiliary XCSCW 计算机支持协同工作，Computer Supported Cooperative Work河北工业大学硕士学位论文1需求分析 需求分析 需求分析概 念 设 计 概念设计 概念设计原理设计 结构设计 详细设计技术设计 详细设计制造装配样机实验批量生
20、产CIMS、CE样机实验批量生产虚拟装配虚拟产品产品生产需求分析概念设计详细设计虚拟制造产品生产第一章 绪论1 -1 产品设计的概念和发展产 品 设 计 过 程 可 以 描 述 为 将 一 系 列 功 能 需 求 转 化 为 具 体 实 现 的 过 程 ， 是 一 个 体 现 多 学 科 知 识 应 用 与 分析 的 综 合 系 统 ， 系 统 的 输 入 是 能 量 、 特 征 参 数 、 材 料 、 信 号 等 ， 输 出 是 符 合 一 定 要 求 的 物 理 实 体 。 产 品 设 计过 程 涉 及 到 技 术 、 经 济 、 社 会 、 环 境 等 因 素 ， 需 要 经 验 和 理
21、 论 知 识 的 广 泛 参 与 ， 是 一 个 复 杂 的 系 统 工 程 。 一般 把 产 品 设 计 定 义 为 问 题 求 解 过 程 ， 即 利 用 已 有 知 识 、 资 源 和 现 成 产 品 来 创 造 新 产 品 的 过 程 。 设 计 过 程 的 演 变可 以 分 为 以 下 四 种 模 式 ：图 1.1 设 计 过 程 模 式 的 演 变Fig.1.1 The evolution of the design process model无 一 例 外 ， 产 品 设 计 都 需 要 经 过 测 试 环 节 ， 有 的 是 物 理 样 机 测 试 ， 有 的 是 虚 拟 样
22、机 测 试 。 传 统 的 物 理样 机 测 试 已 经 应 用 了 很 多 年 ， 发 展 的 比 较 完 善 了 ， 但 物 理 样 机 的 测 试 有 其 不 可 避 免 的 弊 端 ， 虚 拟 样 机 的 虚拟 测 试 虽 然 还 在 发 展 之 中 ， 但 可 以 很 好 的 解 决 物 理 样 机 测 试 的 问 题 。 因 此 ， 本 文 针 对 产 品 设 计 过 程 中 虚 拟测 试 问 题 进 行 了 深 入 研 究 和 讨 论 。1 -2 虚拟样机技术的提出背景基于仿真驱动的袋式除尘器虚拟测试方法及应用研究2l7 世 纪 以 来 ， 随 着 近 代 科 学 技 术 的 发
23、 展 ， 工 程 设 计 的 理 论 、 方 法 和 手 段 都 发 生 了 很 大 变 化 。 特 别 是本 世 纪 40 年 代 以 来 ， 随 着 现 代 数 字 电 子 计 算 机 的 出 现 和 在 工 程 中 的 成 功 应 用 ， 使 工 程 设 计 产 生 了 根 本性 的 变 化 。 但 都 不 能 很 好 地 解 决 产 品 整 体 性 能 的 分 析 、 测 试 与 优 化 问 题 。因 此 ， 以 物 理 样 机 为 基 础 的 产 品 开 发 过 程 可 以 归 纳 为 ： 设 计 加 工 测 试 改 进 设 计 改 进 加 工 再 测 试 。 而 以 虚 拟 样 机
24、 理 念 指 导 的 产 品 的 研 制 过 程 就 可 归 纳 为 ： 虚 拟 样 机 设 计 虚 拟 测 试 性 能 分 析虚 拟 样 机 改 进 再 虚 拟 测 试 加 工 物 理 样 机 测 试 。 大 大 节 省 了 设 计 和 试 验 成 本 ， 在 保 证 研 发 质 量的 前 提 下 可 以 实 现 缩 短 研 制 周 期 的 目 的 。虚拟样机（ Virtual Prototype，VP ）技 术 是 从 分 析 产 品 整 体 性 能 的 角 度 出 发 ， 来 解 决 传 统 的 产 品 设计 方 法 所 带 来 的 弊 端 的 一 项 高 新 技 术 手 段 。 虚 拟
25、 样 机 技 术 可 使 产 品 设 计 人 员 在 各 种 虚 拟 环 境 中 真 实 地 模 拟产 品 在 真 实 情 况 下 的 运 动 和 受 力 情 况 ， 快 速 分 析 多 种 设 计 方 案 的 优 劣 ； 设 计 人 员 可 以 利 用 软 件 多 次 进 行 物理 样 机 难 以 进 行 或 根 本 无 法 进 行 的 测 试 ， 直 到 获 得 系 统 级 的 优 化 设 计 方 案 。 此 外 ， 利 用 虚 拟 样 机 技 术 还 可以 分 析 对 于 物 理 样 机 来 说 是 极 其 危 险 的 工 况 ， 在 不 牺 牲 产 品 安 全 性 的 前 提 下 大
26、幅 度 降 低 成 本 、 缩 短 设 计 开发 时 间 。 虚 拟 样 机 技 术 不 但 可 用 于 对 系 统 方 案 的 论 证 及 评 估 ， 而 且 还 可 用 于 产 品 的 概 念 设 计 阶 段 、 设 计 细 化阶 段 、 测 试 规 划 阶 段 以 及 工 作 状 态 再 现 等 全 过 程 中 1。图 1.2 虚拟样机技术的应用Fig.1.2 The application of virtual prototyping technology复 杂 产 品 的 虚 拟 样 机 技 术 虚 拟 样 机 工 程 ， 涉 及 到 仿 真 工 程 全 生 命 周 期 中 相 关
27、的 人 员 、 管 理 和 技 术 的 集成 ， 是 一 项 复 杂 的 系 统 工 程 ， 它 对 传 统 产 品 设 计 方 法 、 技 术 、 工 具 等 方 面 的 研 究 、 开 发 和 应 用 提 出 了 新 的 挑战 。 经 过 上 述 针 对 虚 拟 样 机 技 术 的 研 究 可 知 ， 现 在 尚 未 形 成 适 用 于 虚 拟 样 机 技 术 的 虚 拟 测 试 理 论 和 方 法 ， 因此 ， 本 文 在 针 对 虚 拟 样 机 技 术 分 析 和 探 讨 的 基 础 上 ， 提 出 了 基 于 仿 真 驱 动 的 虚 拟 测 试 技 术 ， 完 成 对 产 品 虚 拟
28、 样机 的 数 字 化 模 型 测 试 任 务 ， 达 到 对 产 品 结 构 、 性 能 的 测 试 ， 最 终 实 现 整 体 优 化 设 计 的 目 标 。1 -3 课题研究的国内外发展现状进 入 21 世 纪 以 后 ， 我 国 把 “大 力 推 进 科 学 技 术 进 步 ， 加 强 环 境 科 学 研 究 ， 积 极 发 展 环 保 产 业 ”作为经 济 发 展 的 重 要 相 关 政 策 ， 环 保 产 业 进 一 步 得 到 重 视 。 随 着 国 家 对 污 染 控 制 要 求 的 不 断 提 高 ， 对 粉 尘 排 放的 要 求 也 大 幅 提 高 。 国 家 继 GB 4915-85、 GB 4915-1996 水 泥 厂 大 气 污 染 物 排 放 标 准 后 ， 又 出 台 了 水 泥 工 业 大 气 污 染 物 排 放 标 准 （ GB4915-2004） ， 更 加 严 格 了 水 泥 工 业 排 放 标 准 ， 并 在 多 项 指 标 上 与 发达 国 家 接 轨 。
