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。袋式除尘器产品的虚拟测试，包括两部分内容即
2、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产品虚拟样机测试系统。在此基础上，研究了基于袋
3、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 SYSTEMDEVELOPMENT FOR BAG FILTERABSTRACTProduct design has experienced four stages: intuition design-drawings for the design-computer aided de
4、sign-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 is difficult to use real physical
5、 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 virtual prototype. By using virtual ins
6、trument 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 accomplished in the computer.This pape
7、r 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 filters have also been investigated dee
8、ply.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 putting forward virtual testing integrati
9、on 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 virtual test system in hag filters i
10、ntegrated 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 filterii河北工业大学硕士学位论文目 录第一章 绪论 11-1 产品设计的概念和
11、发展 .11-2 产品模型 .21-3 虚拟样机技术的提出背景 .31-4 虚拟样机技术的特点和研究现状 .31-5 产品优化设计技术 .41-5-1 优化设计的特点 .41-5-2 结合虚拟样机技术的优化设计 .51-6 袋式除尘器相关背景研究及发展现状 .61-7 本课题研究的目的和意义 .71-8 论文的结构安排 .8第二章 虚拟样机的测试研究 92-1 虚拟样机技术相关概念 .92-2 虚拟样机设计原理 102-2-1 物理样机和虚拟样机的设计概念 102-2-2 虚拟样机的设计原理概述 102-3 虚拟样机的关键技术 112-4 基于虚拟样机的虚拟测试技术 152-4-1 基于虚拟样
12、机的虚拟试验技术 152-4-2 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 .183-1 产品虚拟测试的相关技术 183-2 基于虚拟仪器的虚拟测试技术 193-3 基于组态的虚拟测试技术 203-4 基于虚拟现实的虚拟测试技术 223-5 基于计算仿真的虚拟测试技术 223-6 基于数值模拟的虚拟测试技术 233-7 产品虚拟测试 24第四章 袋式除尘器虚拟样机测试研究 .274-1 袋式除尘器的物理样机设计要求 274-2 袋式除尘器虚拟样机设计 314-3 袋式除尘器虚拟测试要求 33iii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 .355-1 袋
13、式除尘器性能虚拟测试方法研究 355-1-1 水泥行业及袋式除尘器国家标准 355-1-2 除尘器性能表示 355-2 袋式除尘器模型虚拟测试方法研究 395-3 袋式除尘器参数虚拟测试方法研究 425-3-1 参数虚拟测试概述 425-3-2 参数虚拟测试系统的组成 42第六章 袋式除尘器虚拟测试系统的构建 .476-1 袋式除尘器测试试验系统的组成 476-2 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 .597-1 对本文的总结 597-2 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 63iv河北工业大学硕士学位论文第一章 绪论1-1 产品设
14、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。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
15、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
16、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
17、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
18、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 model1-2 产品模型制造中所涉及的模型种类大
19、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
20、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。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
21、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
22、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，
23、在计算机上对机械系统进行虚拟装配（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
24、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。1-4 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
25、对物理样机的依赖。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，而虚拟样机是一
26、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复杂微分-代数
27、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，为了使他们能够比较容易地将先进的
28、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，按照并行工程的思想，合理地组织虚拟样机开发全过程的三要
29、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
30、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河北工业大学硕士学位论文传统设计以经验数据或实验技术（物理实验或数字化实验）为依据，与之相比，优化设计具有传统设计不具备的特点，主
31、要表现在几个方面 4：（1）传统设计基于实验技术归纳设计对象的变化规律，凭借设计人员的经验进行，不能保证一定能找到最合适的设计方案；优化设计使设计参数自动向更优的方向调整，直至找到尽可能完善或最适合的设计方案；（2）传统设计中，需要反复进行方案之间的对比，需要大量的人力、物力；优化设计基于优化算法，设计过程是一个连续的过程。优化计算在执行过程中不需要过多的人为干预，保证了寻优过程的连续性；（3）优化设计的工具是计算机，可以保证很高的结果精度和设计效率，这是传统设计所不能比拟的。因此，在现代产品设计中，基于虚拟样机技术的优化设计便应用而生。1-5-2 结合虚拟样机技术的优化设计与以经验数据或实验
32、技术（物理实验或数字化实验）为依据的传统设计相比，优化设计使得产品设计周期大为缩短，精度大为提高。但是也应该认识到优化设计也有其自身的局限性需要研究解决。优化算法不断完善，但还难以实现工程设计完全自动化。它对设计者提出了更高的要求，首先要求设计者是工程专家，同时要求他是数学和计算机编程方面的专家。由于上述难点，这种单纯面向数学建模和算法实现的优化设计很难得到普遍应用。另外，工程中有许多的设计问题，很难抽象为数学模型的形式，需要编制十分复杂的计算程序和子程序。此外，面向数学模型的优化设计还存在着以下局限性：（1）模型建立、结论分析不直观，程序编写不便修改；（2）精度和效率取决于设计者数学水平和编
33、程能力，优化结果不稳定；（3）由于算法实现过程的不透明性，优化计算结果缺乏交流的依据；（4）不符合专业化分工的要求，不利于相关技术的深入研究与推广；（5）设计对象的性能参数（如：过滤风速、除尘效率、出口含尘浓度等）的测量，需要积分子程序的编制或降低精度要求采用近似值。目前还没有出现能够解决全部工程问题的通用优化设计工具。然而，数字化设计技术以及虚拟样机平台的发展，给优化设计广泛应用于机械产品提供了一个新的契机。如图 1.2 所示，利用虚拟样机技术，优化技术可以在虚拟环境中直接对建模过程中的各种参数（如：质量、厚度、体积等）进行测试，并反馈回优化计算程序中作为设计变量、约束条件或目标函数。另外，
34、结合仿真技术进行优化计算，系统可以实时测量各种不能以显式形式表达的复杂性能参数（如：应力、应变等），并作为性能约束或优化目标直接反馈给优化计算过程。最后，利用可视化技术，优化计算的结果直接在虚拟环境中以图形的形式直观地表示出来，因此，具体的工程优化计算问题，便从面向数学建模和算法程序的传统模式转化为面向数字化模型、虚拟样机和人机交互的虚拟环境的新型模式 5-6。在从事优化任务时，设计者根据研究对象的具体情况，在基于虚拟样机技术的开发环境中，将各种物理参数（如：压力、风速、温度、湿度等）转化为开发平台可以识别的参数变量。进而基于虚拟样机开发平台的优化模块对样机系统进行优化求解。本文利用虚拟样机平
35、台，借助参数化建模技术和仿真技术，从事袋式除尘器结构的相关设计任务，针对虚拟样机技术的优化设计方法作了一些探索性的工作。相关介绍将以后的章节具体给出。5袋式除尘器虚拟测试系统研发虚拟样机技术仿真技建模术 技术优化技术可视化技术图 1.2 优化技术与虚拟样机技术的结合Fig.1.2 Combination of Optimization technology and VP technology1-6 袋式除尘器相关背景研究及发展现状进入 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
36、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。电除尘器作为我国电力行业除尘装备的主力军，在上个世纪为我国的环保事业做出了杰出的贡献。然而，随着人们对环保要求的提高以及国家对排放浓度更高要求标准的征订，现有的电除尘器逐渐显示出其缺点。与电除尘设备相比，袋式除尘设备在处理高含尘浓度的烟气时具有很高的除尘效率，一般可达99.99%以上，排放烟尘浓度小于 50mg/m3，甚至可达到 10mg/m 3 左右。袋式除
37、尘设备对捕集微细颗粒粉尘更有效，尤其是对 PM2.5 以下的粉尘也有很好的捕集效果。另外，与脱硫装置配套使用还可以提高脱硫效率 20%，环保效用十分显著。同时，袋式除尘器具有一定的脱硫能力，是除尘脱硫一体化的技术装备。而且随着技术的快速发展，袋式除尘设备在综合使用成本（包括投资、占地面积、运行、维护费用等）和运行可靠性两大方面也比电除尘设备有着显著优势，在国际上已逐渐取代了电除尘设备的主导地位。由于分室结构的应用，使袋式除尘器在使用时可轮换分室检修和换袋，这是也电除尘器无法做到的。袋式除尘器是过滤式除尘器的一种，早在 18 世纪 80 年代德国就开始商业化生产，1954 年逆喷型吹气环清灰技术
38、，1957 年脉喷型（脉冲）袋式除尘器技术使得袋式除尘器实现了除尘、清灰连续操作，处理量提高数倍，特别是脉冲袋式除尘器技术，它不但使操作和清灰连续，滤袋压力损失更趋于稳定，处理气量进一步增大，而且内部无运动部件，滤布寿命更长，结构简单。20 世纪 70 年代以后，美、日、澳及欧洲等国家，结合大规模工业生产，相继开发了大型袋式除尘器应用于燃煤电站、干法水泥回转窑6河北工业大学硕士学位论文窑尾和电炉除尘。袋式除尘器是利用多孔过滤介质分离捕集气体中固体粒子的净化装置，属于高效干式除尘装置，多用于工业原料气的精制、固体粉料的回收、特定空间内的通风和空调系统的空气净化以及去除工业排放尾气或烟气中的粉尘粒
39、子。袋式除尘器的特点是捕集效率高、捕集的粉尘细、使用方便，在除尘和空气净化领域中占有重要地位。尽管袋式除尘器相对于电除尘器体现出较大优势，但依然存在其固有的缺陷。由于其除尘机理是通过过滤来实现除尘，因此在使用过程中其系统阻力成为不可忽视的一条因素，特别是处理高浓度大风量的含尘气体时，系统压力损失往往很大，能耗较高。同时，在处理大风量高浓度含尘气体时，由于过滤风速不能很高，又要考虑系统压力问题，除尘系统往往体积庞大，一次性投资高。在正常工作后，还要考虑滤袋损坏等因素，这又是一笔维护费用。因此，如何使这些问题所产生的影响尽量减小，是本文研究的主要方向。1-7 本课题研究的目的和意义如前所述，开发高
40、效节能型袋式除尘器不仅具有迫切性和必要性，并且有很强的现实意义。对袋式除尘器的除尘效率进行研究，一方面可以进一步弄清袋式除尘器的过滤的机理，确定各参数对除尘效率的影响，为工程设计提供有用的技术资料；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除尘装置打下良好的基础。因此，研究纤维过滤、努力提高袋式除尘器的过滤性能，就显得十分必要。针对袋式除尘器的不足，本文研究的目的就是利用虚拟测试技术，建立一个用于袋式除尘器的虚拟测试系统，便捷的完成对袋式除尘器的测试，并可根据用户需求组建新的测试系统。通过虚拟测试系统的建立，完成对袋式除尘器各个参数的测试，达到提高除尘效率，降低运行阻力，节省能
41、源，改善过滤性能的目的。总之，测试的目的就是对整机结构的改进与优化。如何将现代设计方法融入到袋式除尘器产品的设计中，就变得十分必要了。现代化的设计工作充分应用了当今迅速发展起来的计算机、应用数学、力学、电子学和测试等技术，使设计从经验的、静止的、随意性很大的传统设计中解脱出来，通过搜集和分析获取必要的信息，用快速运算和优化，设计最佳结构，进行部分零部件的设计，使设计生命周期更短，尺寸更合理。根据虚拟测试技术所面向的被测对象是否为现实存在的物理对象，虚拟测试系统可以分为两种类型：半实物虚拟测试系统与完全的虚拟测试系统。虚拟测试可以是对现实测试条件的模仿，也可以表达只存在于设想之中的方案或构想。本
42、文的研究对象是水泥工业生产中的袋式除尘器产品，因此虚拟测试包括袋式除尘器物理样机的虚拟测试和袋式除尘器虚拟样机的虚拟测试，产品物理样机虚拟测试平台和虚拟样机测试平台。虚拟仪器一方面可以为物理样机的虚拟测试，另一方面也可以用于虚拟样机的测试，因此研究包括两部分，一是物理样机的虚拟测试平台，一是虚拟样机的虚拟测试平台。基于虚拟样机的虚拟测试技术的研究意义主要有以下几点：（1）借助于虚拟测试技术，可以在虚拟测试环境下完成测试任务，通过在虚拟环境中对测试系统和测试过程进行仿真分析，方便地对测试方案进行修改、优化和评估，这是目前别的手段所无法比拟的。（2）虚拟测试技术具有很大的灵活性、适应性和经济性，因
43、为它只需通过修改软件模型中的参数设置，即可模拟现实世界中物理参数的改变，随着任务的变化，已有的软件再经修改即可满足新任务的要求，十分灵活、方便。因此，虚拟测试技术可以节省大量研究经费，具有极大的应用潜力和实际意义。虚拟测试技术（Virtual Test，VT）是指通过软件仿真方法在物理系统的早期开发阶段，就可以进行模拟试验研究，通过软件仿真分析系统进行物理系统性能和动态响应特征等的“虚拟测试”。虚拟样机侧重于三维模型的建立、仿真、分析，虚拟仪器（Virtual Instrument，VI）则侧重于用软7袋式除尘器虚拟测试系统研发件来进行测量、数据分析、实时显示和存贮等。基于虚拟样机的虚拟测试（
44、Virtual Test based on Virtual Prototype，VPVT）技术，是指适用于测试目的的一种新型的测试技术，通过将反映测试系统与过程特征的各种测试信息与模型应用 VP、VI 和测试技术（Testing Technology，TT）加以主动式的表达和处理，构成虚拟测试系统（Virtual Test System，VTS），对测试系统与过程进行多方面问题的交互，进行优化与仿真分析。基于虚拟样机的虚拟测试系统不仅可以作为真实测试的前期准备工作，而且可以在一定程度上替代传统的测试。与传统测试相比它具有以下优点：（1）可以大幅度减少样机制造次数，缩短新产品试验周期，降低实际测
45、试的费用。（2）虚拟测试技术应用于复杂产品的开发中，可以实现设计者和产品用户在设计阶段信息的互相反馈，使设计者全方位吸收、采纳对新产品的建议。（3）虚拟测试代替物理测试，实现了测试不受场地、时间和次数的限制，可对测试过程进行回放、再现和重复。本文主要解决的问题，就是针对袋式除尘器产品设计过程中虚拟测试技术的应用问题。1-8 论文的结构安排第一章 简要介绍了课题研究的内容和意义，本课题所使用的技术的简要概述。第二章 介绍了产品虚拟样机设计技术的相关概念、设计原理和关键技术的论述，在此基础上提出了基于虚拟样机的虚拟测试技术。第三章 主要阐述了产品虚拟测试研究的主要方法，包括虚拟仪器、虚拟现实、计算
46、仿真和数值模拟，最后总结出产品虚拟测试的开发过程。第四章 本章在研究了袋式除尘器产品的设计要求的基础上，总结出袋式除尘器产品虚拟样机的设计要求，进而提出了袋式除尘器产品虚拟测的要求。第五章 本章主要研究了袋式除尘器虚拟测试方法，包括袋式除尘器性能、模型及参数的测试方法，并根据物理测试原理，归纳出了虚拟测试系统的组成结构。第六章 本章主要阐述了产品虚拟测试系统的构建，并通过袋式除尘器产品的虚拟测试来验证了此系统的可行性。第七章 对本论文工作进行了总结，并对未来工作进行了展望。8河北工业大学硕士学位论文第二章 虚拟样机的测试研究随着科学技术的发展，产品设计已经从物理样机过渡到虚拟样机，产品测试也相
47、应地从物理样机测试过渡到虚拟样机测试，因此我们从产品设计要求入手来研究虚拟样机的测试问题。2-1 虚拟样机技术相关概念虚拟样机是利用计算机仿真技术建立的，取代物理样机进行评估和测试以获取候选设计方案特性的等效数字模型，是存在于计算机中的参数化“软模型”，它能像物理样机一样，反映最终产品的外观、结构、动力学和运动学等综合特性。虚拟样机环境是指包含虚拟样机，将 CAD 实体造型技术、系统仿真、人机交互技术等集成而形成的一个支持虚拟产品设计的集成仿真环境。虚拟样机技术是指综合多学科、基于虚拟样机的数字化设计方法。虚拟样机技术以机械系统运动学、动力学和控制理论为核心，加上成熟的三维计算机图形技术和基于
48、图形的用户界面技术，将分散的零部件设计和分析技术集成在一起，提供一个全新的产品设计方法。通过设计中的反馈信息不断地指导设计，保证寻优过程顺利进行。虚拟样机是在 CAD/CAM/CAE 和物理样机基础上发展起来的，其基础为多体系统动力学、结构有限元理论、其它领域物理系统的建模与仿真理论等，以及多领域物理系统混合建模与仿真理论，是产品的多领域数字化模型的集合体，包含有真实产品的所有关键特征，一些学者给出虚拟样机的三个要素：进行功能分析的仿真模型、表达几何形状与结构的 CAD 模型和用于实现可视化与表达的虚拟环境模型。现在我们已从传统设计方法：设计试制试验改进的漫长过程中解脱出来，用虚拟样机技术进行
49、产品的开发，用计算机仿真测试，进行产品模拟试验。产品数字化大大缩短了产品开发周期和成本。虚拟样机技术与传统的基于物理样机的产品设计技术相比具有如下特点：（1）具有直观性。可以全面准确的表达产品设计方案。（2）具有虚拟性。基于计算机辅助工具的支持，使得建模、修改、仿真、评估的过程更加方便，而且可以完成很多传统方法很难实现或代价很大的仿真，在减少甚至取消物理样机的情况下就可获得最优方案，缩短了研发周期、提高了产品质量，节约了成本。（3）强调系统的观点。可以在系统层次上对产品的外观、功能和在特定环境下的行为进行分析和模拟，预测产品在真实工况下的特征及响应，确定影响性能的关键参数。（4）支持并行工程，可应用于产品开发的全生命周期，支持产品的全方位测试、分析与评估，并随着产品生命周期的演进而不断丰富和完善。（5）支持不同学科领域间的虚拟化协同设计。由于虚拟样机具有以上特点，可以实现在设计过程中就对样机的结构进行修改、评估和优化，并对其结构、性能等进行测试，使得整个产品设计、优化、测试过程在计算机中完成，为基于虚拟样机的产品优化设计方法的使用奠定了基础。9袋式除尘器虚拟测试系统研发2-2 虚拟样机设计原理2-2-1 物理样机和虚拟样机
