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CN111475893B - 一种基于产品三维模型的空间故障场模型构建方法 - Google Patents

一种基于产品三维模型的空间故障场模型构建方法 Download PDF

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CN111475893B CN202010258235.6A CN202010258235A CN111475893B CN 111475893 B CN111475893 B CN 111475893B CN 202010258235 A CN202010258235 A CN 202010258235A CN 111475893 B CN111475893 B CN 111475893B
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Beihang University
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Abstract

本发明涉及一种基于产品三维模型的空间故障场模型构建方法。该方法是基于场的概念，将产品组成单元的故障模式分布可视化，并辐射到产品表面形成故障场，进而为产品维修性设计提供依据。它包含三大步骤：(1)计算产品每个单元、每个故障模式的风险指数，即根据故障模式影响及危害性分析结果确定每个组成单元每个故障模式的风险指数；(2)计算产品组成单元的空间故障场强，即结合故障模式风险指数及单元维修难度计算；(3)计算产品表面故障场强，即将不规则单元转化为规则的三维线框体，然后将单元空间故障场强投射到产品表面形成故障场分布模型。基于该模型即可指导产品维修口盖设计。

Description

一种基于产品三维模型的空间故障场模型构建方法
所属技术领域
本发明一种基于产品三维模型的空间故障场模型构建方法，实现了产品故障信息在产品表面的可视化表达，从而为产品维修口盖设计提供指导。本发明属于可靠性工程技术领域。
背景技术
维修口盖设计是设计中的重要方面之一，为了确保产品在使用中得到及时的保养和维修，产品表面需要开设口盖。口盖设计的好坏直接关系到产品的维修性水平。目前的口盖设计虽然简单的考虑了经济性、可达性的问题，但没有一个良好的方法精确指导维修口盖设计。鉴于此，本发明引入“场”的概念，结合产品故障模式影响及危害性分析(FMECA)结果，设计了一种基于产品三维模型的空间故障场模型构建方法。该方法可综合考虑产品每一个故障模式的发生概率、严酷度类别等因素，并将其表现在产品表面，叠加形成故障场强，进而可视化描述故障信息在产品表面的分布情况，以指导设计师合理设计口盖位置和大小。
发明内容
本发明的目的是实现产品故障信息在产品表面的可视化表达，为产品维修口盖设计提供指导。
本发明提供的一种基于产品三维模型的空间故障场模型构建方法，主要包含以下步骤：
步骤一：计算产品每个单元、每个故障模式的风险指数。
根据产品故障模式影响及危害性分析(FMECA)结果，计算产品每个组成单元、每个故障模式的风险指数，它由故障模式发生概率等级、严酷度等级、检测难度等级确定。
步骤二：计算产品组成单元的空间故障场强。
空间故障场强是综合描述单元故障模式风险指数及维修难度的定量指标。其中，单元空间故障场强又是由单元故障模式的故障场强叠加而来。本步骤包含3个子步骤：
步骤1：计算产品组成单元中每个故障模式的故障场强，它由每个故障模式的风险指数确定。
步骤2：计算每个产品组成单元的维修难度。对于产品组成单元而言，维修难度可通过可达性和可拆卸性衡量。可达性越好，维修难度越低；可拆卸性越好，维修难度越低。
步骤3：计算每个产品组成单元的空间故障场强。单元空间故障场强由本步骤子步骤1和子步骤2所确定的故障模式场强及单元维修难度叠加决定，单元故障场强与故障模式场强成正比，与单元维修难度成反比。
步骤三：计算产品表面故障场强。
表面故障场强是由部分产品组成单元空间故障场强在产品表面的故障辐射值叠加而成。
本步骤包含4个子步骤：
步骤1：基于ZL 201410778944.1“一种基于3D数字化模型的产品组件故障可视化方法”步骤一的方法将不规则产品转化为规则的三维长方体线框模型。
步骤2：运用最小包容原则，将产品组成单元转化为三维圆柱体，进而确定其重心、底面半径、圆柱体高度以及圆柱体的中心轴向，并根据单元空间故障场强确定圆柱体故障场强。
(1)以产品重心为原点O，分别沿长方体的长、宽、高三个方向建立三维笛卡尔坐标系D，记作(X，Y，Z)；
(2)以单元重心为原点o，沿坐标系D的X轴、Y轴、Z轴方向建立三维子坐标系d，记作(x,y,z)；
(3)运用最小包容原则，以单元重心为三维圆柱体重心，分别以x轴、y轴、z轴为中心轴，构建圆柱体，记作Cx、Cy、Cz，对比三个圆柱体的体积，取体积最小的圆柱体作为对应产品单元的三维圆柱体，记作C|k(k＝x,y,z)，圆柱体半径记作r、高记作HC。
注：k＝x表示以x轴为中心轴构建的圆柱体体积最小，以此类推。
(4)将单元空间故障场强赋值给对应圆柱体C|k，即圆柱体C|k的故障场强等于对应产品单元空间故障场强。
步骤3：计算圆柱体在产品表面上的投影区域。
投影方向规定如下：
(1)圆柱体中心横截面S(S是以圆柱体重心为圆心、与中心轴k轴垂直所做的横切面，即圆心为圆柱体中心、半径为r的圆)：沿k轴正、负方向直接投射到产品表面，其投影即为横截面投影区域。
(2)圆柱体侧面：以圆柱体中心轴截面(是一个长为HC、宽为2r的长方形)，沿横截面S的半径方向投射到产品表面，即360°投射到产品表面。辐射到产品表面时，其投影区域应扣除无法投影区域，如民航客机的窗户、机舱门等。
步骤4：计算单元到产品表面的辐射场。
(1)圆柱体中心横截面S的辐射场：首先，计算横截面S的圆心OD沿k轴正、负方向投影面的绝对距离，记作d+、d-；然后，计算横截面S分别在正、负方向的辐射场，与单元空间故障场强成正比、与绝对距离成反比。
(2)圆柱体侧面的辐射场：首先，计算圆柱体重心沿横切面S半径方向到产品表面的距离，此时可以设定一个角度ε(ε可整除360，且ε需足够大以保证同一表面不会被同一侧面重复投射)，横切面S的半径沿横切面每转动ε°，则计算一次圆柱体重心沿横切面S半径方向到产品表面的距离，由此可得到一个距离数组
Figure BDA0002428236370000031
然后，计算圆柱体故障场强在产品表面的辐射场，它与圆柱体故障场强成正比，与di成反比。
步骤5：计算产品表面故障场强。
由于产品组成单元众多，各个组成单元的空间故障场强投射到产品表面形成辐射场，还需进一步叠加计算产品表面故障场强，进而为产品维修口盖设计提供依据。
(1)取产品表面上任意一个点f(f＝1,2,…,n)，计算所有投射到该点的辐射值之和
Figure BDA0002428236370000032
(2)归一化处理，确定产品表面点f(f＝1,2,…,n)的故障场强
Figure BDA0002428236370000033
(3)将故障场强
Figure BDA0002428236370000034
与故障场强颜色条进行对比，取产品表面上点f(f＝1,2,…,n)的故障场强对应的颜色值，对产品对应位置进行着色，从而得到产品表面故障场强分布。
基于上述步骤一到步骤三，即可为产品着色，进而得到产品表面故障场强分布。基于该分布，设计师可进一步进行维修口盖设计。
附图说明
图1方法流程图
图2产品三维长方体线框模型示例(a)产品(b)长方体线框
图3基于产品三维长方体线框模型的笛卡尔坐标系示例
图4单元三维子坐标系示例
图5最小包容圆柱体C|k示例
图6圆柱体横截面S在x轴正、负方向投影区域示例
图7圆柱体侧面在产品表面的投影区域示例(a)ε°投影区域(b)360°投影区域
图8故障场强颜色条
图9产品表面故障场分布图
具体实施方式
本发明方法流程如图1所示。为使本发明的特征及优点得到更清楚的了解，以下结合附图及案例进行详细说明。本发明所选择的案例为一个包含3个组成单元的产品P。具体实施步骤是：
步骤一：计算产品每个单元、每个故障模式的风险指数。
根据产品故障模式影响及危害性分析(FMECA)结果，计算产品每个组成单元、每个故障模式的风险指数，它由故障模式发生概率等级、严酷度等级、检测难度等级确定。
产品FMECA结果可通过表1表示，从中可以获取每个单元、每个故障模式的发生概率等级、严酷度等级、检测难度等级，进而计算风险指数RPN。RPN的计算公式如下：
表1产品FMECA结果表示意
Figure BDA0002428236370000041
注：在GJB/1391中，有定义发生概率等级、严酷度等级、检测难度等级的取值范围，均为{1,2,3,…,10}。
RPN＝ESR*OPR*DDR (1)
其中ESR表示严酷度等级、OPR表示发生概率等级、DDR表示检测难度等级。
【示例】案例产品P的FMECA结果如表2所示。
表2产品P的FMECA结果示意
Figure BDA0002428236370000042
步骤二：计算产品组成单元的空间故障场强。
空间故障场强是综合描述单元故障模式风险指数及维修难度的定量指标。其中，单元空间故障场强又是由单元故障模式的故障场强叠加而来。本步骤包含3个子步骤：
步骤1：计算产品组成单元i中每个故障模式的故障场强。它由每个故障模式的风险指数确定。风险指数越高，故障后果越严重，故障场强越高。故障模式故障场强计算公式如下：
Figure BDA0002428236370000051
其中，
Figure BDA0002428236370000052
表示为单元i故障模式FMij的故障场强，RPNij为故障模式的风险指数。
【示例】案例产品P的故障模式故障场强计算结果如表3所示。
表3产品P的故障模式故障场强
单元名称 故障模式 严酷度等级 发生概率等级 检测难度等级 风险指数 故障场强
单元1 FM11 5 4 9 180 0.18
单元1 FM12 6 4 2 48 0.048
单元1 FM13 6 4 4 96 0.096
单元1 FM14 8 1 1 8 0.008
单元2 FM21 2 8 1 16 0.016
单元2 FM22 6 6 6 216 0.216
单元2 FM23 5 4 5 100 0.1
单元3 FM31 2 8 9 144 0.144
单元3 FM32 1 7 6 42 0.042
单元3 FM33 8 6 8 384 0.384
单元3 FM34 4 6 2 48 0.048
单元3 FM35 8 8 8 512 0.512
步骤2：计算每个产品组成单元i的维修难度。对于产品组成单元而言，维修难度可以通过可达性和可拆卸性衡量。可达性越好，维修难度越低；可拆卸性越好，维修难度越低。
单元i的维修难度MDi具体定义如下：
Figure BDA0002428236370000053
其中，REDi为单元i的可达难度等级，RMDi为单元i的可拆卸难度等级。具体评分标准如表4和表5所示。
表4单元可达难度等级定义
Figure BDA0002428236370000054
表5单元可拆卸难度等级定义
Figure BDA0002428236370000055
Figure BDA0002428236370000061
【示例】案例产品P的故障模式故障场强计算结果如表6所示。
表6产品P的维修难度
单元名称 可达难度等级 可拆卸难度等级 维修难度
单元1 极难(10) 较难(8) 0.80
单元2 一般(6) 较难(8) 0.48
单元3 较易(4) 一般(6) 0.24
步骤3：计算每个产品组成单元i的空间故障场强。单元空间故障场强由本步骤子步骤1和子步骤2所确定的故障模式场强及单元维修难度叠加决定，单元故障场强与故障模式场强成正比，与单元维修难度成反比。其计算公式如下：
Figure BDA0002428236370000062
其中，
Figure BDA0002428236370000063
表示单元i的故障场强，Ji表示单元i的故障模式总数。
【示例】案例产品P的故障模式故障场强计算结果如表7所示。
表7产品P各单元故障场强
单元名称 故障模式故障场强之和 维修难度 故障场强
单元1 0.332 0.80 0.4150
单元2 0.332 0.48 0.6917
单元3 1.13 0.24 4.7083
步骤三：计算产品表面故障场强。表面故障场强是由部分产品组成单元空间故障场强在产品表面的故障辐射值叠加而成。本步骤包含4个子步骤：
步骤1：基于ZL 201410778944.1“一种基于3D数字化模型的产品组件故障可视化方法”步骤一的方法将不规则产品转化为规则的三维长方体线框模型。
示例图形见图2。
步骤2：运用最小包容原则，将产品组成单元i转化为三维圆柱体，进而确定其重心、底面半径、圆柱体高度以及圆柱体的中心轴向，并根据单元空间故障场强确定圆柱体故障场强。
(1)以产品重心为原点O，分别沿长方体的长、宽、高三个方向建立三维笛卡尔坐标系D，记作(X，Y，Z)。
示例图形见图3。
(2)以单元i的重心为原点o，沿坐标系D的X轴、Y轴、Z轴方向建立三维子坐标系d，记作(x,y,z)。
示例图形见图4。
(3)运用最小包容原则，以单元i的重心为三维圆柱体重心，分别以x轴、y轴、z轴为中心轴，构建圆柱体，记作Cx、Cy、Cz，对比三个圆柱体的体积，取体积最小的圆柱体作为对应产品单元的三维圆柱体，记作C|k(k＝x,y,z)，圆柱体半径记作r、高记作HC。
注：k＝x表示以x轴为中心轴构建的圆柱体体积最小，以此类推。
最小包容圆柱体C|k示例如图5所示，其中k＝x。
(4)将单元空间故障场强赋值给单元i对应的圆柱体C|k，即圆柱体C|k的故障场强等于单元i的空间故障场强。
步骤3：计算单元i的圆柱体在产品表面上的投影区域。投影方向规定如下：
(1)圆柱体中心横截面S(S是以圆柱体重心为圆心、与中心轴k轴垂直所做的横切面，即圆心为圆柱体中心、半径为r的圆)：沿k轴正、负方向直接投射到表面，其投影即为横截面投影区域。
示例图形见图6。
(2)圆柱体侧面：以圆柱体中心轴截面(是一个长为HC、宽为2r的长方形)，沿横截面S的半径方向投射到产品表面，即360°投射到产品表面。辐射到产品表面时，其投影区域应扣除无法投影区域，如民航客机的窗户、机舱门等。
示例图形见图7。
步骤4：计算单元i到产品表面的辐射场。
(1)圆柱体中心横截面S的辐射场：首先，计算横截面S的圆心OD沿k轴正、负方向投影面的绝对距离，记作
Figure BDA0002428236370000071
然后，计算横截面S分别在正、负方向的辐射场，与单元空间故障场强成正比、与绝对距离成反比。
·正方向辐射场
Figure BDA0002428236370000072
的计算公式如下：
Figure BDA0002428236370000081
其中，
Figure BDA0002428236370000082
表示单元i的故障场强，
Figure BDA0002428236370000083
表示单元i的横截面S的圆心OD沿k轴正方向投影面的绝对距离。
·负方向辐射场
Figure BDA0002428236370000084
的计算公式如下：
Figure BDA0002428236370000085
其中，
Figure BDA0002428236370000086
表示单元i的横截面S的圆心OD沿k轴负方向投影面的绝对距离。
(2)圆柱体侧面的辐射场：首先，计算单元i的圆柱体重心沿横切面S半径方向到产品表面的距离，此时可以设定一个角度εi(εi可整除360，且εi需足够大以保证同一表面不会被同一侧面重复投射)，横切面S的半径沿横切面每转动ε°，则计算一次圆柱体重心沿横切面S半径方向到产品表面的距离，由此可得到一个距离数组
Figure BDA0002428236370000087
然后，计算圆柱体侧面故障场强在产品表面的辐射场，它与圆柱体故障场强成正比，与die成反比。
(εi×e)°方向的辐射场计算公式如下：
Figure BDA0002428236370000088
其中，
Figure BDA0002428236370000089
表示单元i的圆柱体侧面在(εi×e)°方向的辐射场；die表示单元i的中心轴截面的中心沿(εi×e)°方向到产品表面的距离。
步骤5：计算产品表面故障场强。
由于产品组成单元众多，各个组成单元的空间故障场强投射到产品表面形成辐射场，还需进一步叠加计算表面故障场强，进而为产品维修口盖设计提供依据。
(1)取产品表面上任意一点f(f＝1,2,…,n)，计算所有投射到该点的辐射值之和
Figure BDA00024282363700000810
公式如下：
Figure BDA00024282363700000811
其中，If表示在产品表面f点有辐射场的单元集合；μi＝1表示单元i的横截面S沿k轴正方向在f点有辐射场，沿k轴负方向在f点无辐射场；μi＝0表示单元i的横截面S沿k轴正方向在f点无辐射场，沿k轴负方向在f点有辐射场
(2)进一步进行归一化处理，确定产品表面上点f(f＝1,2,…,n)的故障场强
Figure BDA0002428236370000093
处理公式如下：
Figure BDA0002428236370000091
(3)将故障场强
Figure BDA0002428236370000092
与故障场强颜色条(见图8)进行对比，取产品表面点f(f＝1,2,…,n)的故障场强对应的颜色值，并对产品表面上的投影区域进行着色。
基于上述步骤一到步骤三，即可为产品表面着色，进而得到产品表面故障场强分布图，如图9所示。基于该分布，设计师可进一步进行维修口盖设计。如图9所示，其左右中心区域A1、A2故障场强相较于周围区域高很多，因此需在A1、A2分别设计一个维修口盖。

Claims (1)

1.一种基于产品三维模型的空间故障场模型构建方法，其特征在于它包含以下步骤：
步骤一：计算产品每个单元、每个故障模式的风险指数；
根据产品故障模式影响及危害性分析FMECA结果，计算产品每个组成单元、每个故障模式的风险指数，它由故障模式发生概率等级、严酷度等级、检测难度等级确定；
步骤二：计算产品组成单元的空间故障场强；
空间故障场强是综合描述单元故障模式风险指数及维修难度的定量指标，其中，单元空间故障场强又是由单元故障模式的故障场强叠加而来，本步骤包含3个子步骤：
步骤1：计算产品组成单元中每个故障模式的故障场强，它由每个故障模式的风险指数确定；
步骤2：计算每个产品组成单元的维修难度，对于产品组成单元而言，维修难度可通过可达性和可拆卸性衡量：可达性越好，维修难度越低；可拆卸性越好，维修难度越低；
步骤3：计算每个产品组成单元的空间故障场强，单元空间故障场强由本步骤子步骤1和子步骤2所确定的故障模式场强及单元维修难度叠加决定，单元故障场强与故障模式场强成正比，与单元维修难度成反比；
步骤三：计算产品表面故障场强；
表面故障场强是由部分产品组成单元空间故障场强在产品表面的故障辐射值叠加而成，本步骤包含5个子步骤：
步骤1：运用最小包容原则，将不规则的产品三维物理模型转化为规则的三维长方体线框模型，其长、宽、高分别用L、W、H表示，记作(L,W,H)；
步骤2：继续运用最小包容原则，将产品组成单元转化为三维圆柱体，进而确定其重心、底面半径、圆柱体高度以及圆柱体的中心轴向，并根据单元空间故障场强确定圆柱体故障场强；
(1)以产品重心为原点O，分别沿长方体(L,W,H)的长、宽、高三个方向建立三维笛卡尔坐标系D，记作(X，Y，Z)；
(2)以单元重心为原点o，沿坐标系D的X轴、Y轴、Z轴方向建立三维子坐标系d，记作(x,y,z)；
(3)运用最小包容原则，以单元重心为三维圆柱体重心，分别以x轴、y轴、z轴为中心轴，构建圆柱体，记作Cx、Cy、Cz，对比三个圆柱体的体积，取体积最小的圆柱体作为对应产品单元的三维圆柱体，记作C|k(k＝x,y,z)，圆柱体半径记作r、高记作HC；
其中，k＝x表示以x轴为中心轴构建的圆柱体体积最小，以此类推；
(4)将单元空间故障场强赋值给对应圆柱体C|k，即圆柱体C|k的故障场强等于对应产品单元空间故障场强；
步骤3：计算圆柱体在产品表面上的投影区域；
投影方向规定如下：
(1)圆柱体中心横截面S：S是以圆柱体重心为圆心、与中心轴k轴垂直所做的横切面，即圆心为圆柱体中心、半径为r的圆，沿k轴正、负方向直接投射到产品表面，其投影即为横截面投影区域；
(2)圆柱体侧面：以一个长为HC、宽为2r的长方形圆柱体中心轴截面，沿横截面S的半径方向投射到产品表面，即360°投射到产品表面，辐射到产品表面时，其投影区域应扣除无法投影区域；
步骤4：计算单元到产品表面的辐射场；
(1)圆柱体中心横截面S的辐射场：首先，计算横截面S的圆心OD沿k轴正、负方向投影面的绝对距离，记作d+、d-；然后，计算横截面S分别在正、负方向的辐射场，与单元空间故障场强成正比、与绝对距离成反比；
(2)圆柱体侧面的辐射场：首先，计算圆柱体重心沿横切面S半径方向到产品表面的距离，此时可以设定一个角度ε，其中ε可整除360，且ε需足够大以保证同一表面不会被同一侧面重复投射，横切面S的半径沿横切面每转动ε°，则计算一次圆柱体重心沿横切面S半径方向到产品表面的距离，由此可得到一个距离数组
Figure FDA0002944491560000021
然后，计算圆柱体故障场强在产品表面的辐射场，它与圆柱体故障场强成正比，与di成反比；
步骤5：计算产品表面故障场强；
由于产品组成单元众多，各个组成单元的空间故障场强投射到产品表面形成辐射场，还需进一步叠加计算产品表面故障场强，进而为产品维修口盖设计提供依据，其过程如下：
(1)取产品表面上任意一个点f，其中f＝1,2,…,n，计算所有投射到该点的辐射值之和
Figure FDA0002944491560000022
(2)归一化处理，确定产品表面点f的故障场强
Figure FDA0002944491560000023
其中f＝1,2,…,n；
(3)将故障场强
Figure FDA0002944491560000024
与故障场强颜色条进行对比，取产品表面上点f的故障场强对应的颜色值，其中f＝1,2,…,n，对产品对应位置进行着色，从而得到产品表面故障场强分布。
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