1、 学 位 论 文 袋式除尘器虚拟测试系统研发 指导教师姓名： 申请学位级别： 硕 士 学科、专业名称： 精密仪器及机械 论文提交日期： XXXXXXX 论文答辩日期： XXXXXXX 学位授予单位： 河北工业大学 答辩委员会主席： 评 阅 人： 20XX 年 X 月 河北工业大学硕士学位论文 袋式除尘器虚拟测试系统研发 摘 要 产品设计经历了直觉设计 面向图纸设计 计算机辅助设 计 数字化设计四个阶段，数字化设计方法是现在主要使用的产品设计方法，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，虚拟样机的使用显得非常必要。 袋
2、式除尘器产品的虚拟测试，包括两部分内容即物理样机的虚拟测试和虚拟样机的虚拟测试。物理样机的虚拟测试主要研究物理样机作为被测试对象，测试仪器采用虚拟仪器；虚拟样机的虚拟测试主要研究在计算机内建立的虚拟样机作为被测对象，整个测试过程在计算机内完成。 本文针对产品优化设计中的虚拟测试问题，重点研 究了产品虚拟样机设计中的结构、性能及参数等的虚拟测试方法，并针对袋式除尘器的虚拟样机测试中的结构、性能、参数测试问题进行了深入探讨。 论文首先研究了产品虚拟样机技术，提出了虚拟测试的概念和要求。然后，研究了虚拟测试系统的构建方法及典型的虚拟测试方法，提出了基于组态单元的虚拟测试集成方法，形成了基于虚拟仪器的
3、产品虚拟样机测试系统。 在此基础上，研究了基于袋式除尘器产品虚拟样机的虚拟测试方法，在袋式除尘器集成设计平台上构建了虚拟测试系统。最后，论文通过袋式除尘器主要性能测试，证实了论文所构建的虚拟测试模型及 虚拟测试系统的正确性及可行性。 关键词： 产品设计，虚拟样机，虚拟测试，袋式除尘器 i 袋式除尘器虚拟测试系统研发 RESEARCH ON THE VIRTUAL TEST SYSTEM DEVELOPMENT FOR BAG FILTER ABSTRACT Product design has experienced four stages: intuition design-drawings
4、 for the design-computer aided design-digital design. Now the digital design is the mainly method which makes the whole process of digital product development become real. As a result, it can reduce the using frequency of physical prototype. Especially for the object which has complex structure and
5、is difficult to use real physical prototype for testing and modified, the use of virtual prototype is very necessary apparently. This paper made some researches of virtual test for design of bag filter product. The test includes two parts: virtual test of physical prototype and virtual test of virtu
6、al prototype. By using virtual instrument as its testing instrument, virtual test of physical prototype still uses physical prototype as its testing object. Virtual test of virtual prototype uses virtual prototype as its testing object which is modeling in the computer. And the whole process is acco
7、mplished in the computer. This paper made some researches of virtual test in the optimum design of the products. It focuses on the virtual test method of structure, performance and parameters in virtual prototype design. The structure, properties and parameters of virtual prototype test for bag filt
8、ers have also been investigated deeply. Firstly, the paper studied the virtual prototype technology, and put forward the concepts and requirements of virtual test. Secondly, it made some comparison of the construction method between virtual test system and typical virtual testing method. After putti
9、ng forward virtual testing integration method based on the unit configuration,we formed products virtual prototype testing system which is based on virtual instrument. Based on this research, we made some studies of virtual product test method on the bag filters the virtual prototype, and set up the
10、 virtual test system in hag filters integrated design platform. Finally, we passed the test of hag filters main performance test. The accuracy and feasibility of the virtual test model and the virtual test system have been proved. KEY WORDS: product design, virtual prototype, virtual test, bag filte
11、r ii 河北工业大学硕士学位论文 目 录 第一章 绪论 . 1 1 -1 产品设计的概念和发展 . 1 1 -2 产品模型 . 2 1 -3 虚拟样机技术的提出背景 . 3 1 -4 虚拟样机技术的特点和研究现状 . 3 1 -5 产品优化设计技术 . 4 1-5-1 优化设计的特点 . 4 1-5-2 结合虚拟样机技术的优化设计 . 5 1 -6 袋式除尘器相关背景研究及发展现状 . 6 1 -7 本课题研究的目的和意义 . 7 1 -8 论文的结构安排 . 8 第二章 虚拟样机的测试研究 . 9 2 -1 虚拟样机技术相关概念 . 9 2 -2 虚拟样机设计原理 . 10 2-2-1 物
12、理样机和虚拟样机的设计概念 . 10 2-2-2 虚拟样机的设计原理概述 . 10 2 -3 虚拟样机的关键技术 . 11 2 -4 基于虚拟样机的虚拟测试技术 . 15 2-4-1 基于虚拟样机的虚拟试验技术 . 15 2-4-2 基于虚拟样机的虚拟测试技术 . 16 第三章 产品虚拟测试方法研究 . 18 3 -1 产品虚拟测试的相关技术 . 18 3 -2 基于虚拟仪器的虚拟测试技术 . 19 3 -3 基于组态的虚拟测试技术 . 20 3 -4 基于虚拟现实的虚拟测试技术 . 22 3 -5 基于计算仿真的虚拟测试技术 . 22 3 -6 基于数值模拟的虚拟测试技术 . 23 3 -7
13、 产品虚拟测试 . 24 第四章 袋式除尘器虚拟样机测试研究 . 27 4 -1 袋式除尘器的物理样机设计要求 . 27 4 -2 袋式除尘器虚拟样机设计 . 31 4 -3 袋式除尘器虚拟测试要求 . 33 iii 袋式除尘器虚拟测试系统研发 第五章 袋式除尘器虚拟测试方法研究 . 35 5 -1 袋式除尘器性能虚拟测试方法研究 . 35 5-1-1 水泥行业及袋式除尘器国家标准 . 35 5-1-2 除尘器性能表示 . 35 5 -2 袋式除尘器模型虚拟测试方法研究 . 39 5 -3 袋式除尘器参数虚拟测试方法研究 . 42 5-3-1 参数虚拟测试概述 . 42 5-3-2 参数虚拟测
14、试系统的组成 . 42 第六章 袋式除尘器虚拟测试系统的构建 . 47 6 -1 袋式除尘器测试试验系统的组成 . 47 6 -2 袋式除尘器虚拟测试系统平台的建立 . 49 第七章 总结与展望 . 59 7 -1 对本文的总结 . 59 7 -2 对未来的展望 . 59 参考文献 . 60 致谢 . 62 攻读学位期间所取得的相关科研成果 . 63 iv 河北工业大学硕士学位论文 第一章 绪论 1-1 产品设计的概念和发展 产品设计，可以描述为将一组功能需求转化为一个具体实现结构的过程，是一个包含多种学科知识应用的分析与综合系统，系统的输入是能量、材料、信号等，输出是符合特定要求的物理实体。
15、产品设计涉及到技术 、经济、社会、环境等诸多因素，需要个人经验和灵感的广泛参与，是一个复杂的系统工程，目前对涉及系统中间的变化规律还没有十分有效的描述方法。一般认为，产品设计是一个问题求解过程，它是利用已有知识、资源和现成产品来创造新产品的过程。 现代设计制造环境下设计过程的演变可以分为以下四种模式： 1第一种模式（ 20 世纪六七十年代） 设计过程分为需求分析、功能设计（阐明任务书）、原理设计（方案设计）和技术设计（结构设计）等几个阶段。如图 1.1.1 所示，是设计过程的传统划分方法。在这一时期，产品设计和信息描述主要靠人工完成，计算机辅助技术的应用局限于工程设计图的层次，对概念设计的辅助
16、很有限，制造过程也主要是基于传统的 “ 制造装配 样机实验 批量生产 ” 的流程。 2第二种模式（ 20 世纪八九十年代） 设计过程分为需求分析、概念设计、结构设计和详细设计等几个阶段，如图 1.1.2 所示，是计算机辅助设计（ Computer Aided Design， CAD）技术与产品设计相结合的结果。其中，概念设计是创造性思维阶段，主要完成产品设计的功能和原理设计；结构设计是概念设计与详细设计的过渡阶段，包括初步结构设计、方案布局设 计等；详细设计则是在 CAD 系统支持下确定产品各类参数的过程。随着计算机图形学特别是三维 CAD 系统的迅速发展，产品设计开始在很大程度上依赖于计算机
17、辅助设计。这一时期，一些新的制造模式如计算机集成制造系统（ CIMS）、并行工程（ CE）等得到了深入研究并逐步应用于企业的生产实践。 3第三种模式（ 20 世纪 90 年代后期） 设计过程分为需求分析、概念设计和详细设计等几个阶段，如图 1.1.3 所示，产品结构设计工作主要由计算机自动完成。进入 20 世纪 90 年代以来，由于真实感显示技术、多媒体、虚 拟现实等技术的发展以及 CAD 系统逐渐完善和广泛应用，使得设计过程更加紧凑、简捷，各阶段的目标更为明确，概念设计与详细设计的结合更加紧密，从概念到实体的转换更加方便。概念设计的目的在于实现产品创新，而详细设计则是面向装配和制造阶段进行设
18、计概念与设计方案的详细化、精确化。 4第四种模式（ 21 世纪初期） 概念设计与详细设计阶段进一步集成，使之几乎并行进行，如图 1.1.4 所示，设计师提出产品设计意图和创新思路， CAD 系统自动完成设计概念的实体化工作。这一时期，产品的制造模式将发生根本性的变化，基本 上达到虚拟制造甚至敏捷制造的水平，设计过程高度集成化。 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，有的是虚拟样机测试。物理样机传统测试已经应用了很多年，发展的比较完善了，但是物理样机的虚拟测试和虚拟样机的虚拟测试问题还在发展之中。因此，本文针对产品虚拟测试问题进行了深入研究和讨论。 1 袋式除尘器虚拟测试系统
19、研发 需求分析 需求分析 需求分析 需求分析 功能设计 概念设计 概念设计 概念设计 原理设计 结构设计 详细设计 详细设计 技术设计 详细设计 虚拟装配 虚拟制造 虚拟产品 产品生产 制造装配 CIMS、 CE 产品生产 样机实验 样机实验 批量生产 批量生产 图 1.1.1 图 1.1.2 图 1.1.3 图 1.1.4 图 1.1 设计过程模式的演变 Fig.1.1 The evolution of the design process model 1-2 产品模型 制造中所涉及的模型种类大致可以分为三种：即产品模型、制造系统模型和开发过程模型。产品模型是所有活动的目的和中心，制造系统模
20、型是产品开发必须要考虑的约束，开发过程模型是产品开发的使能器，也是对产品开发活动进行管理和控制的基础。这里的制造系统是一个广义的概念，包括物料供应、加工、装配和检验等所有方面。 以产品模型为中心的仿真包括：产品的静态、动态性能的分析；产品的可制造性分析；产品的可装配性仿真。在进行产品 开发时，要考虑的不只局限于与功能需求有关的方而，如形状、尺寸、结构及各种物理特性，还要综合考虑诸如制造、装配、维护、成本等各方面的因素。因此，产品本身的仿真是仿真技术在制造业应用的基本方面 1。 模型是对现实原型的一种抽象或模拟。这种抽象或模拟不是简单的 “ 复制 ” ，而是强调原型的本质，扬弃原型中的次要因素。
21、模型分为系统模型和仿真模型，系统模型可能包括数学模型、实物，甚至人；仿真模型一般指的是在系统模型的基础上，通过相应的仿真工具实现的计算机上能够运行的模型。系统仿真本质上是一类面向问题（或对象）、基于模型 的活动，通过对模型行为的研究来揭示被研究对象（原型）的行为特征和部分结构特征 2。 现代设计技术面向数字化模型，数字化模型是一个非常宽泛的概念，如 CAD 中建立的几何模型、力学计算中的有限元模型、仿真分析中的动力学模型等都属于数字化模型的范畴。虚拟样机也同样属于数字化模型，是数字化设计发展的产物。 2 河北工业大学硕士学位论文 1-3 虚拟样机技术的提出背景 机械设计的历史，可以追溯到石器时
22、代。当时的人类就可根据实践经验制造出许多结构简单、操作方便的工具。但是直到工 业革命前，人们对于机械系统的设计始终停留在依据经验和灵感的阶段上。 l7 世纪中叶以来，随着近代科学技术的发展，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（以计算机辅助设计 CAD 和有限元 FEA 技术为杰出代表），使工程设计产生了根本性的变化。在机械产品的设计中，CAD 技术实际上解决了产品的造型方面的问题， FEA 技术则可以说是解决了产品中单个零部件的优化问题，但都不能很好地解决产品整体性能的优化问题。 因此，以物理样机为基 础的
23、产品开发过程可以归纳为：设计 加工 测试 改进设计 测试 。 而在先进的虚拟样机理念指导下形成的研制过程就可变为：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。节省设计和试验成本，在保证研发质量的前提下缩短研制周期。 虚拟样机（ Virtual Prototype， VP）技术则是从分析解决系统整体性能及其相关问题的角度出发，研究解决采用传统的机械产品设计方法学所带来的弊端的一项高新技术手段。利用该技术，工程设计人员可以直接利用 CAD 系统所提供的各零部件的物理 信息（如质量、质心位置、对于任意参考坐标系的惯量等）及几何信息，在计算机上对机械系统进行虚拟装
24、配（定义零部件间的连接关系及其作用力、运动激励等），从而获得产品的虚拟样机，并对其在各种工况下的运行和受力情况进行仿真分析，进而在产品物理样机试制出来之前就对其性能有一个大体了解，并将所得各零部件的载荷作为对系统关键零部 件 FEA 分析的依据。 虚拟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系统整体的运动和受力情况，快速分 析多种设计方案；设计人员可以利用软件比较容易地多次进行物理样机难以进行或根本无法 进行的试验，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幅度降低成本、缩短设计开发时间。虚拟样机技术不
25、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。 1-4 虚拟样机技术的特点和研究现状 虚拟样机技术的特点主要包括以下三个方面： （ 1）全新的研发模式。虚拟样机技术真正实现了系统角度的产品优化，它基于并行工程（ Concurrent Engineering），在产品的概念设计阶段就可以迅速地分析、比较多种设计方案，确定影响性能的敏感参数，并通过可视化技术设计产品、预测产品在真实工况下的特征以及所具有的响应，直至获得最优工作性能； （ 2）更低的研发成本、更短的研发周期、更高的产品质量。采用虚拟样机设计方法有助于摆脱对物理样
26、机的依赖。通过计算机技术建立产品的数字化模型（即虚拟样机），可以完成无数次物理样机无法进行的虚拟试验（成本和时间条件不允许），从而无须制造及测试物理样机就可获得最优方案，不但减少了物理样机的数量，而且缩短了研发周期，提高了产品质量； （ 3）实现动态联盟的重要手段。目前世界范围内广泛地接受了动态联盟（ Virtual Company）的概念，即为了适应快速变化的全球市场，克服单个企业资源的局限性，出现了在一定时间内，通过 Internet （或 Intranet）临时缔结成的一种虚拟企业。为实现并行设计和制造，参盟企业之间产品信息的敏捷交 3 袋式除尘器虚拟测试系统研发 流尤显重要，而虚拟样机
27、是一种数字化模型，通过网络输送产品信息，具有传递快速、反馈及时的特点，进而使动态联盟的活动具有高度的并行性。 虚拟样机技术的研究现 状大体分为三个方向： （ 1）虚拟样机技术的基础是理论研究 虚拟样机技术源于对多刚体系统动力学的研究，它是建立在多刚体系统动力学理论基础上的。由于受计算能力的限制，经典刚体动力学的主要研究范围仅局限于简单系统。但随着科学技术的发展，人们更多地面临着更复杂系统的运动学和动力学问题。由于复杂的系统都是由多个零部件组成，各零部件之间又以各种不同的方式相连接，这就使得在构造系统的运动学和动力学方程时不得不面对大量复杂的代数和微分运算，以及通常无法求得理论上的解析解的大规模
28、复杂微分 -代数方程组。这些问题曾一度使经典 刚体力学的理论和方法受到很大的冲击。 多刚体系统动力学是近 40 年来在经典力学基础上发展起来的、专门解决复杂系统运动学和动力学问题的新的学科分支。其主要任务是：建立系统的运动学和动力学模型，并且开发相应的软件系统，用户只需要输入基本数据，计算机将自动列写出所需要的方程；建立有效、稳定的数值算法，自动求解运动学和动力学方程；提供计算机仿真结果的图形输出，将分析结果传送给用户。 （ 2）虚拟样机技术软件化 虚拟样机技术本身涉及的学科领域比较多并且涉及比较深的理论基础，但对于用户中的广大工程技术人员来说，他 们的力学、数学和计算机等学科的基础有限，为了
29、使他们能够比较容易地将先进的虚拟样机技术应用于工程实践中，就必须有界面友好、功能强大和性能稳定的支持虚拟样机的仿真分析软件系统。 （ 3）复杂系统虚拟样机工程 虚拟样机技术，尤其是航天器、飞机、汽车、复杂机电产品等这一类客户需求复杂、系统组成复杂、产品技术复杂、制造过程复杂、项目管理复杂的复杂产品的虚拟样机技术，正成为世界各国纷纷研究的热点。 复杂产品的虚拟样机技术，也称为虚拟样机工程，涉及到仿真工程全生命周期中相关的人员 /组织、管理和技术的集成和优化，是一项 复杂的系统工程，它对传统产品开发方法、技术、工具等方面的研究、开发和应用提出了新的挑战。虚拟样机工程以虚拟样机为核心，按照并行工程的
30、思想，合理地组织虚拟样机开发全过程的三要素 团队组织、管理和技术，并基于虚拟样机支撑环境，使虚拟样机开发过程各类活动中的信息流、控制流集成优化运行，实现工程设计技术、建模 /仿真技术和虚拟现实 /可视化技术三类技术有机集成，进而可以高效地支持复杂产品虚拟样机系统的开发，赢得市场竞争。 复杂产品虚拟样机技术的开发和实施涉及许多关键技术与相关研究领域，如系统总体技术、复杂产品虚拟样 机建模技术、复杂系统协同仿真技术、复杂产品虚拟样机管理技术、复杂产品虚拟样机前期规划和后期性能评估技术、虚拟环境技术、模型校验、验证和确认技术和支撑平台 /框架技术等 3。 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，本文在对虚拟样机技术的分析和探讨的基础上，提出了基于虚拟样机的虚拟测试技术，完成对产品虚拟样机的数字化模型测试任务，达到对产品结构、性能优化设计的目标。 1-5 产品优化设计技术 1-5-1 优化设计的特点 优化设计就是将全部 设计限制作为约束条件，通过设计变量或性能变量的一组不等式表示出来，把最能反映出主要设计要求的量作为目标函数，用数学手段求出满足全部约束条件下使目标函数为最小的设计变量的设计方法。优化设计以数学规划为理论基础，借助计算机的高速运算和强大的逻辑判断功能。 4
