一种基于产品三维模型的故障模式可视化方法技术

一种基于产品三维模型的故障模式可视化方法，包含四个步骤，1、针对复杂产品，进行三维模型的区块化分割和长方体构造；2、整理故障模式相关信息，分析复杂产品各组成部分在某一技术状态下的潜在故障模式及其故障原因，并得出严酷度程度以及发生概率等级，依据产品在三维坐标中的位置，获得故障模式发生位置相对于坐标原点的空间坐标及故障模式相应的设计改进措施；3、故障模式信息的可视化建模；4、空间故障强度分析方法。定义空间故障强度，确定故障强度较高的部件，从而设计相应的改进措施、使用补偿措施以及维修保障资源信息对故障进行消减并最后实施有效性验证。本发明专利技术在产品设计技术领域里有良好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及复杂产品可靠性设计实现过程中，。该方法利用信息可视化技术，将原本局限于文字报告的故障模式及其影响分析结果形象化，集成于产品的三维模型中，从而为可靠性设计结果显示和决策提供清晰直观的信息，并针对故障模式信息在复杂产品RMS实现过程中采取相应的应对和改进措施。本专利技术属于产品设计

技术介绍
准确地识别和分析故障，是开展可靠性设计的基础。但在常规的故障模式分析工作中，如故障模式及影响分析(FMEA)等，其结果往往是以报告等文字资料的形式存在，以文字形式存在的故障信息在理解和分析中存在着一些弊端。这是由于在进行故障模式分析的过程中，以往的分析信息主要来源于一些产品设计、工艺资料，试验程序，故障模式影响及 危害分析(FMECA)或故障模式及影响分析(FMEA)报告和故障等文字报告，然而设计人员对基于文字形式信息的获取效率较低，且不易发现信息之间的内在联系，例如，从字面上不易理解产品故障模式发生的具体位置，从字面上无法直观的了解故障模式在产品中的分布情况等等。一项科学研究表明，“至少有80%以上的外界信息经视觉获得，视觉是人最重要的感觉”，因此，可视化手段已经成为强化人机系统管理的重要模式。为此本专利技术应用可视化技术，故障模式及其分布信息在产品的三维模型中表达出来，可以使设计人员在分析产品性能模型的同时，直观了解产品故障模式及其分布信息，以便采取设计措施，预防和消除各类故障隐患。
技术实现思路
I、目的本专利技术的目的是提供，该方法将处在某种技术状态下产品故障模式的位置，数量，严酷度程度，故障发生概率等级等信息，利用图形图像技术与方法，在产品三维实体模型中可视化表达出来，可在性能设计的同时，理解和分析故障信息，利用该方法能够指导设计人员快速识别产品故障模式及其分布情况，有利于及时发现异常情况并对此采取相应措施，监控产品故障模式消减情况。2、技术方案为了实现上述目的，本专利技术给出了一种基于产品三维模型的故障模式可视化模型。故障模式的可视化要求首先建立产品的三维模型，然后对三维模型进行简化，将复杂产品进行区块化分割，将每一个区块用基本几何体(这里使用长方体)加以表示。在几何体内要求对故障模式数量，故障原因，发生位置，严酷度等级，发生概率等级等信息用图像化形式进行表示。本专利技术，它按照以下四个步骤进行步骤一复杂产品三维模型处理首先，在产品三维装配模型的基础上，确定故障模式分析的最低约定层次，按最低约定层次产品，将三维模型进行区块化分割，分别命名为区块I、区块2以及区块3，……，以此类推。依据产品在空间中的实际情况，可分别获得每个区块中心相对于三维模型坐标原点(O，0, 0)的位置坐标，即区块I的坐标为(XpYpZ1),区块2的坐标为(X2, Y2, Z2),......以此类推。而后，进行长方体的构造。首先，需要建立一个大的长方体代表整个系统；接着再构建若干长方体代表所分割的区块。为了将每块区块构造成长方体，本专利技术设定了构造的原则为“最小包容”，即能够将产品完全包容的最小长方体。以一个案例来说明长方体边长的确定原则，如图I所示。复杂产品某一区块为一圆锥体，根据测量，它的高为10，底面半径为2. 5，因此模拟该区块的长方体BOX的长宽高应分别为10，5，5时才能包住整个圆锥体。本案例列举了一个规则的几何体，同理，在不规则几何体中的测量也应依据“最小包容”原则，即，所取得的长方体长宽高值能恰好包住该区块。 基于上述过程，可以获得以下信息1)区块的划分情况；2)区块与坐标原点的位置关系(X1, Y1, Z1), (X2, Y2, Z2)……；3)区块最小包容体数据(长L，宽W以及高H)。步骤二 整理故障模式相关信息本专利技术首先需要以区块为单位，根据当前产品技术状态，整理复杂产品的故障信息，为其制定相应的表格(表I为产品故障模式信息)。表格中应包含故障模式影响及危害性分析的结果信息，产品应标明其最小包容区块的编号。此外，还需依据产品在三维坐标中的位置，通过故障机理的分析获得故障模式发生位置相对于坐标原点的空间坐标，如故障模式I的位置为(xfl，yfl，zfl),以此类推。同一个发生位置的故障模式空间坐标应是一样的。值得一提的是，故障模式只分析到设备级产品。表I产品故障模式信息(不例)......................Si.....功臟Efi |1；技术...................—IS—I......使 I"补............维修保....... 颌I能誠_實is状态.1；. it I雛施猶源 Cz k J.ij 麵11； JiIII；——使川 I 卜维麵 您;编能默丨aw V. 5 状态治,"'G醫賴源 —_.....j—.............—一—‘—............................———"—:—I一一而后，还需获得以下信息故障模式相应的设计改进措施、使用补偿措施以及维修保障资源。这些信息将为后续的模型分析提供参考。步骤三故障模式信息的可视化建模本专利技术中，用具有相同透明度不同颜色的圆球体代表一个故障模式，如图2所示。其中球的半径r代表故障模式的发生概率，r越大表示故障模式的发生概率越大，从视觉上表现为球体所占的空间越大，能够使工作人员快速判别故障模式高发区域和产品。故障模式的发生概率分为5个等级，概率从大到小依次为A，B，C，D以及E。用r表示为rA，rB,rc，rD 以及 rE。本专利技术中，用球体的颜色代表故障严酷度类别，如图3所示(注由于附图需使用黑白色图片，因此本图同中使用不同的灰度来代表色彩)。自左往右分别代表严酷度类别I、IIJII以及IV，用警示的颜色(如红色，即图片中显示的深灰色)代表造成严重性后果的故障模式，以提醒工作人员注意。本专利技术中设定球体是半透明的，因此球密集的区域颜色也会叠加加深，如图4所示。在设备的同一个位置可能会存在多个故障模式，这些代表故障模式的球体会发生干涉重叠。混合球体的颜色是由单个球体颜色重叠而成。依据色彩学，越多的球体重叠，从视觉上而言，其颜色将越深，即此处存在大量故障模式，需提醒设计人员注意。步骤四空间故障强度分析方法 定义空间故障强度权利要求1.ー种基于产品三维模型的故障模式可视化方法，其特征在于该方法具体步骤如下 步骤ー复杂产品三维模型处理 首先，在产品三维装配模型的基础上，确定故障模式分析的最低约定层次，按最低约定层次产品，将三维模型进行区块化分割，分别命名为区块I、区块2以及区块3，……，依据产品在空间中的实际情况，分别获得每个区块中心相对于三维模型坐标原点(O，O，0)的位置坐标，即区块I的坐标为(X1, Y1, Z1),区块2的坐标为(X2，Y2, Z2),……；而后，进行长方体的构造，先建立一个大的长方体代表整个系统；接着再构建复数个长方体代表所分割的区块，为了将每块区块构造成长方体，这里设定了构造的原则为“最小包容”，即能够将产品完全包容的最小长方体；即所取得的长方体长宽高值能恰好包住该区块；基于上述过程，获得以下信息1)区块的划分情况；2)区块与坐标原点的位置关系(X1, Y1, Z1), (X2, Y2,Z2),……；3)区块最小包容体数据(长L，宽W以及高H)； 步骤ニ 整理故障模式本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于产品三维模型的故障模式可视化方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：步骤一：复杂产品三维模型处理首先，在产品三维装配模型的基础上，确定故障模式分析的最低约定层次，按最低约定层次产品，将三维模型进行区块化分割，分别命名为区块1、区块2以及区块3，……，依据产品在空间中的实际情况，分别获得每个区块中心相对于三维模型坐标原点（0,0,0）的位置坐标，即区块1的坐标为（X1，Y1，Z1），区块2的坐标为（X2，Y2，Z2），……；而后，进行长方体的构造，先建立一个大的长方体代表整个系统；接着再构建复数个长方体代表所分割的区块，为了将每块区块构造成长方体，这里设定了构造的原则为“最小包容”，即能够将产品完全包容的最小长方体；即所取得的长方体长宽高值能恰好包住该区块；基于上述过程，获得以下信息：1）区块的划分情况；2）区块与坐标原点的位置关系（X1，Y1，Z1），（X2，Y2，Z2），……；3）区块最小包容体数据（长L，宽W以及高H）；步骤二：整理故障模式相关信息以区块为单位，根据当前产品技术状态，整理复杂产品的故障信息，为其制定相应的产品故障模式信息表，表格中包含故障模式影响及危害性分析的结果信息，产品标明其最小包容区块的编号；此外，依据产品在三维坐标中的位置，通过故障机理的分析获得故障模式发生位置相对于坐标原点的空间坐标，如故障模式1的位置为（xf1，yf1，zf1），以此类推；同一个发生位置的故障模式空间坐标应是一样的，故障模式只分析到设备级产品；表1产品故障模式信息而后，还需获得以下信息：故障模式相应的设计改进措施、使用补偿措施以及维修保障资源，这些信息将为后续的模型分析提供参考；步骤三：故障模式信息的可视化建模用具有相同透明度不同颜色的圆球体代表一个故障模式，其中球的半径r代表故障模式的发生概率，r越大表示故障模式的发生概率越大，从视觉上表现为球体所占的空间越大，能够使工作人员快速判别故障模式高发区域和产品；故障模式的发生概率分为5个等级，概率从大 到小依次为：A，B，C，D以及E，用r表示为：rA，rB，rC，rD以及rE；用球体的颜色代表故障严酷度类别，自左往右分别代表严酷度类别：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ以及Ⅳ，用警示的颜色代表造成严重性后果的故障模式；设定球体是半透明的，因此球密集的区域颜色也会叠加加深，在设备的同一个位置会存在复数个故障模式，这些代表故障模式的球体会发生干涉重叠；混合球体的颜色是由单个球体颜色重叠而成，其颜色越深，即此处存在大量故障模式；步骤四：空间故障强度分析方法定义空间故障强度：区块中所有球体半径与严酷度等级系数之和除以区块体积；即单位体积内产品严酷度均值，严酷度等级系数确定：1级严酷度类别系数为4，4级系数为1，以此类推；分析方法有两种：1）通过空间模型中球的密度和颜色，直观感受；2）对各部件的空间故障强度排序，给出故障强度较高的部件集合；第一种方法是定性分析法，通过之前几个步骤所绘制的三维模型，对故障模式的各类信息有一个初步的，视觉上的判断；直观的从球体的大小，球体的颜色深浅，球体的密度和分布对故障情况进行初步的判断；第二种方法是定量分析法，通过计算空间故障强度，对各个部件的空间故障强度进行排序，从而得到故障强度较高的部件集合；通过故障分析，确定故障强度较高的部件，从而根据相应的设计改进措施、使用补偿措施以及维修保障资源信息对故障进行消减；随着工程的进展，在不同技术状态中，该产品的故障模式信息是不一样的，在不同技术状态下建立产品故障模式可视化模型，其分别为M1，M2，M3，……，以此类推；通过在不同技术状态下模型的建立，达到了实时的故障模式信息监控，使工作人员在设计过程中，动态把握故障信息从而确定正确的设计方案，最后，需要进行实施有效性验证，即进行故障模式可视化建模后，设计人员应当依据原始的一些报告、设计图纸，制图信息资料对模型进行正确性检验。FDA00001784550100021.jpg...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：周璇，任羿，杨德真，刘林林，李静，吕欣琦，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：