CN102033998B - 一种可靠性模型自动生成方法 - Google Patents

Abstract

一种可靠性模型自动生成方法，其步骤如下：1，通过商业软件建立体现常用机电产品故障行为的故障模型库；2，引入产品性能模型；3，从性能模型中选定需要引入故障行为的模块；4，用故障模型库中相应模块替换性能模型中需要引入故障行为的模块，生成可靠性模型；5，进行可靠性仿真试验的试验设计；6，根据可靠性仿真试验设计结果驱动商业软件的计算引擎进行仿真；7，收集仿真试验结果。本发明为将产品的性能模型转换为可靠性模型提供了一套自动化的解决方案，同时能驱动相应的仿真软件按可靠性仿真试验的试验设计结果进行自动批量仿真，显著提高了性能与可靠性一体化设计的工作效率。

Description

一种可靠性模型自动生成方法

所属技术领域

本发明提供一种可靠性模型自动生成方法，它涉及可靠性建模技术，试验设计技术和可靠性自动仿真技术，属于可靠性工程技术领域，。

背景技术

在产品设计过程中，普遍存在着可靠性设计分析与性能设计分析脱节的现象，产品的可靠性不能设计到产品中去，从而产品在使用中表现出故障多、寿命短等问题。造成该问题的原因是多方面的，从技术上看主要存在两大原因：缺乏性能与可靠性一体化设计方法手段，不能实现工程专业综合，是一个主要原因；其次，在产品设计过程中广泛采用各种计算机辅助设计(Computer Aided Design，CAD)技术，极大地提高了产品的设计水平和设计效率，但在这些技术中，可靠性CAD技术的应用还不广泛，尤其能与现有性能CAD技术相融合的可靠性CAD工具几乎没有。因此在产品的设计过程中，如何将可靠性与性能融为一体，实现性能与可靠性同步设计与分析的目标，是目前产品设计过程中对可靠性专业的一个迫切需求。

发明内容

本发明的目的是：克服现有技术的不足，通过运用可靠性模型自动生成器，实现了一种可靠性模型自动生成方法，该方法可以显著改善可靠性设计与性能设计脱节的现象，实现可靠性设计同性能设计的有机融合，提高工作效率，降低产品研制成本。

本发明的技术方案：

本发明一种可靠性模型自动生成方法，其步骤如下：

步骤1，建立故障模型库：通过外购商业软件(MATLAB和AMESim)建立能够即体现常用机电产品正常工作状态又体现其常见故障模式的故障模型库，这里指出的常用机电产品至少应包括：传感器、液压缸、异步电机、直流电机，其对应的故障模式：传感器增益变化、恒偏差，液压缸泄漏、卡死，无刷电机轴承断裂和绕组断路，直流电机轴卡死、效率降低；

步骤2，引入产品性能模型：性能模型产生于产品性能设计过程中，基于外购商业软件生成。模型解析器读取描述性能模型的磁盘文件，将已有的基于商业软件构建的产品的性能模型，加载到可靠性模型自动生成器；

步骤3，选定待替换模块：在完成步骤2中所引入性能模型的加载过程时，可靠性模型自动生成器的图形化用户界面(GUI)将会显示出性能模型的拓扑结构，使用者通过GUI直接操作性能模型，标记模型中需要引入故障行为的模块；

步骤4，生成可靠性模型：可靠性模型自动生成器以自动方式，或辅助使用者以手动方式，从故障模型库中检索到与待替换部件相对应类型的模块，并自动替换产品的性能模型中被指定的模块；

步骤5，可靠性试验设计：使用者在可靠性模型自动生成器中进行可靠性仿真试验的试验设计，即创建多种不同的可靠性仿真试验方案，并为每一种方案编辑试验设计表；

步骤6，可靠性自动仿真：可靠性模型自动生成器根据步骤5中使用者制定的试验设计结果，同时利用本发明中开发的通用仿真软件接口驱动商业软件MATLAB和AMESim进行仿真；

步骤7，收集仿真试验结果：将仿真产生的数据从内存中取出，保存于磁盘，使用者可以根据方法执行过程中的具体情况指定需要输出的数据项，可靠性模型自动生成器将自动生成由这些数据项构成的EXCEL报表或相关性曲线。

其中，步骤1中所述的故障模型库，包含传感器、液压缸、异步电机、直流电机等代表常用机电产品的故障模块。每个故障模块的内部都有三个主要组成部分：正常功能单元，用以描述产品在正常工作条件下的物理特性；故障特性单元，用来描述产品处于指定故障模式状态时的物理特性；切换单元，在仿真过程中，依照产品故障发生的概率，决定模块输出正常功能单元体现的物理特性还是故障特性单元所体现的物理特性。每个故障模块都通过切换单元和全局变量描述产品的故障行为和参数不确定性，通过正常功能单元和故障特性单元体现产品正常或故障情况下的工作特性，然后在MATLAB和AMESim这两种软件中对故障模块进行封装，并可以通过这两种软件的图形化用户接口(GUI)设置相关参数和故障率。

其中，在步骤2中所述的描述性能模型的磁盘文件指：MATLAB软件生成的“*.mdl”类型文件，AMESim软件中对应的“*.ame”类型文件。在步骤2中所述的可靠性模型自动生成器，是为了实现本发明方法而开发的软件工具，主要功能为：载入产品性能模型并实现可靠性模型的自动生成；辅助使用者进行可靠性仿真试验的试验设计；依据试验设计结果自动进行可靠性仿真试验并收集试验数据。在步骤2中所述的模型解析器：是可靠性模型自动生成器中的重要功能组件，负责从描述性能模型的磁盘文件中读取出性能模型中模块之间的连接关系，各模块的名称、类型以及在图形界面中显示的几何尺寸和位置坐标，并依据这些信息生成可靠性模型自动生成器中定义的数据类型。

其中，在步骤4中所述的自动方式，需要满足条件：在性能模型的建模过程中标记了步骤3中所指定模块代表的实际产品组件(通过在模块名称中加入代表产品组件信息的关键字)，即模块代表传感器或液压缸或异步/直流电机。只有在此条件下，可靠性模型自动生成器才能够对照待替换模块所代表的产品组件，从故障模型库中自动检索到代表同类产品组件的模块。

其中，在步骤4中所述的手动方式是指，在不满足实现自动方式的条件时，用户可以从可靠性自动建模工具中直接打开故障模型库，并对照待替换模块所代表的产品组件，从中找到代表同类产品组件的模块。

其中，在步骤5中所述的可靠性仿真试验方案，是为了以通过仿真试验获得产品可靠性指标为目的而制定的计划。可靠性仿真试验方案由多张相关的试验设计表组成。试验设计表用于记录对产品可靠性可能存在影响的设计参数，以及用户为考察这些参数对产品可靠性的影响而计划的具体参数值的组合，在完成试验设计后将试验设计表保存于磁盘中的xml格式文档或EXCEL表格之中。

其中，在步骤6中所述的通用仿真软件接口：是将不同商业仿真软件的交互操作集成封装，使可靠性模型自动生成器能够调用多种商业仿真软件。

本发明与现有技术相比有如下优点：

(1)本发明将故障模型模块包装成专业通用组件形式，改变了以往模型建立需要重新做大量重复工作。同时在运行过程中可以随机进行部件行为选择，并自动注入到模型中去，改变了以往手动注入故障的操作方式，增加了仿真的随机性和可信度。使用模块时不需了解内部结构，只需要设置对话框参数，使用简单便捷。

(2)本发明采用性能模型到可靠性模型的自动转换技术，可以自动的进行从产品的性能模型到可靠性模型的转换，使得性能设计人员即使缺乏足够可靠性设计分析知识，也可以完成建立可靠性模型的工作，实现了从性能设计工作到可靠性设计工作之间无缝连接，使这两种原本被割裂的工作自然的融为一体，使可靠性工作在产品设计过程中更加扎实稳固。

(3)本发明中开发了通用仿真软件接口技术，将仿真试验的控制程序开发工作与同具体商业软件的交互程序开发工作相分离，使得方法所用可靠性模型自动生成器具有良好的可扩展性，可以在日后的实际工作中根据需要灵活地修改仿真试验的控制过程，或者新增可以与可靠性模型自动生成器进行交互的商业软件。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明中可靠性模型自动生成器的软件框架；

图3为故障模型库；

图4为柱塞泵模型；

图5为仿真试验设计；

图6为自动仿真；

图7为不同条件下柱塞泵输出流量对比图。

图5中符号说明：

vis_oil：油液黏度

ang_swa：斜盘倾角

ihigh_dis：柱塞泵入口阀开度

ohigh_dis：柱塞泵出口阀开度

dpc：柱塞间隙

kps：柱塞弹簧刚度

f0_ps：弹簧压缩量(预紧力)

OP：出口压力

RS：柱塞泵斜盘转速

具体实施方式

如图1所示，本发明一种可靠性模型自动生成方法，其步骤如下：。

步骤1：本方法需要的基础工作是建立一个故障模型库，通过外购商业软件(MATLAB和AMESim)建立由能够即体现常用机电产品正常工作状态又体现其常见故障模式的模型组成的故障模型库，这里指出的常用机电产品至少应包括：传感器、液压缸、异步电机、直流电机，对应的故障模式：传感器恒增益、恒偏差；直流电机轴卡死、性能下降；液压缸泄漏、卡死；无刷电机轴承卡死和绕组断路。本步骤中所建立的故障模型库，包含传感器故障模块、液压缸故障模块、异步电机故障模块、直流电机故障模块。故障模块的内部需要建立三个主要功能单元：正常功能单元，用以描述产品在正常工作条件下的物理特性；故障特性单元，用以描述产品处于指定故障模式时的物理特性；切换单元，在仿真过程中，依照产品故障发生的概率，决定模块输出正常功能单元体现的物理特性还是故障特性单元所体现的物理特性。故障模块通过切换单元和全局变量描述产品的故障行为和参数不确定性，通过正常功能单元和故障特性单元体现产品正常或故障情况下的工作特性，然后在MATLAB或AMESim软件中对故障模型进行封装，并可以通过这两种软件的用户图形接口(GUI)设置相关参数和故障率。

步骤2：将产品性能设计环节中产生的性能模型引入本发明方法的执行过程，通过模型解析器将性能模型载入可靠性模型自动生成器。在此过程中，模型解析器将根据描述性能模型的磁盘文件的类型，自动选取加载算法(分别有针对MATLAB的mdl格式文件和AMESim中ame格式文件的模型加载函数，在运行过程中模型解析器根据描述模型的文件的扩展名来动态决定所调用的函数)，从中读取出性能模型中模块之间的连接关系，各模块的名称、类型以及在图形界面中显示的几何尺寸和位置坐标，并把将这些信息转换成可靠性模型自动生成器中统一定义的数据类型，可靠性模型自动生成器中的图形化用户界面将会调用此数据，并使之转化成几何图形显示给使用者。

步骤3：使用者通过可靠性模型自动生成器的图形化用户界面指出原有的性能模型中代表实际产品零、部件的模块有哪些需要引入故障行为。

步骤4：生成可靠性模型，这一步骤由可靠性模型自动生成器自动或辅助使用者手动完成。当性能模型的建模过程中标记了步骤3中所指出模块代表的实际产品组件(即待替换模块代表传感器或液压缸或异步/直流电机)时，可靠性模型自动生成器可以自动地对照步骤3中指出模块所代表的产品组件，从故障模型库中自动检索到代表同类产品的故障模块；否则，使用者需要自行从可靠性模型自动生成器中打开故障模型库，并对照待步骤3中指出模块所代表的产品组件，找到代表同类产品的模块。在从故障模型库中检索到与步骤3中指定模块相对应的故障模块后，可靠性模型自动生成器调用通用仿真软件接口，向仿真建模软件传入用于进行模块替换的指令，用故障模型库中的模块替换步骤3中指定的模块。当完成替换后，可靠性模型自动生成器自动地修改新模块的基本参数，使之与原模块的基本参数相同，同时使用者可以自行修改新模块中与故障行为有关的参数，使得到的可靠性模型能更准确地体现产品可靠性的实际特点，完成可靠性建模。

步骤5：可靠性试验设计。完成可靠性建模后，使用者将要利用可靠性模型自动生成器，实现基于可靠性模型的仿真分析。使用者可在可靠性模型自动生成器中创建仿真试验方案，并编辑对应的试验设计表，即确定试验的次数、每次试验中仿真模型的各项参数，在完成试验设计后将试验设计结果保存于磁盘中xml格式的文档或EXCEL表格之中。

步骤6：按照仿真试验的试验设计结果运行仿真试验，在每次试验前，根据试验设计结果将试验参数通过通用仿真软件接口传递给商业软件，进而由商业软件将参数写入可靠性模型，当完成对可靠性模型的参数设置后，可靠性模型自动生成器再次利用通用仿真软件接口调动商业软件实现对模型的计算仿真。

步骤7：收集仿真试验结果，在上一步中，仿真计算的原始结果会及时以二进制文件的形式保存于磁盘中，当完成仿真试验时，使用者可以根据具体情况指定需要输出的数据项，可靠性模型自动生成器将自动生成由这些数据项构成的EXCEL报表或相关性曲线。

上述各步骤中所涉及到的可靠性模型自动生成器，其总体架构，如图2所示。该可靠性模型自动生成器分为四个部分：前处理器、试验设计与仿真驱动器、模型解析器、通用仿真软件接口。前处理器辅助完成本发明方法中的步骤2、3、4(如图1所示)，用来实现将性能模型通过模块替换的方式转换成可靠性模型的工作过程，前处理器通过模型解析器从描述性能模型的磁盘文件中载入性能模型，接受用户的操作-确定性能模型中需要引入故障行为的模块，前处理器自动地或辅助用户以手动方式从故障模型库中选取相应的模块，并通过通用仿真软件接口向商业仿真软件输入用于模块替换的指令，实现模块替换，完成可靠性建模；模型解析器用来读取模型文件，并将之转换成可靠性模型自动生成器中相对应的数据结构；试验设计与仿真驱动器辅助完成本发明方法中的步骤5、6、7(如图1所示)，用于进行试验设计，并按照试验设计结果进行仿真试验，试验设计与仿真驱动器为用户提供创建、打开、编辑试验方案功能的操作界面，在此操作界面中用户可以新建或打开与试验方案相关的试验设计表，并填写其中的内容，当用户完成试验设计方案的编辑之后，试验设计与仿真驱器块会将试验设计方案以EXCEL表格或xml文本的格式进行保存，试验设计与仿真驱动器能够利用试验设计结果，借助通用仿真软件接口向商业仿真软件发送执行仿真计算的指令，以驱动自动仿真，仿真结束后同样借助通用仿真软件接口从商业仿真软件中获取试验结果数据；通用仿真软件接口，用于封装同具体商业软件的交互操作(即，向商业仿真软件中发送指令，向仿真软件发送数据，送仿真软件中获取数据)，使前处理器和试验设计与仿真驱动器可以按统一的接口规格实现对不同商业仿真软件的调用。

软件结构按功能层次分为：基础服务层，中间层，用户界面层(如图2)。用户界面层主要实现模型的图形化显示，接受使用者对模型的操作，接受使用者输入的试验设计内容，显示仿真试验结果。中间层用于加工使用者的输入信息，或对基础服务层反馈信息进行处理并提交用户界面层进行显示，具体而言：“显示模型”模块将从模型文件中加载的模型中获得相应的几何尺寸，并显示到图形界面；“操作”对象用来实现模型库搜索，以及模块替换，模块参数设置；试验设计模块，接收使用者的试验设计输入，并将其保存成xml格式的试验设计结果文件；试验驱动模块，按照试验设计结果，通过通用仿真软件接口驱动商业仿真计算引擎实现仿真；数据收集模块，将从通用仿真软件接口获得的仿真原始数据从内存中写入到磁盘文件。基础服务层，主要实现可靠性模型自动生成器同外部应用程序或文件的接口操作。

下面结合具体的实施案例，对本发明所述的一种可靠性模型自动生成方法进行说明。本案例以某柱塞泵模型为例陈述一种可靠性模型自动生成方法的实际应用。

本发明一种可靠性模型自动生成方法，其步骤如下：

a)建立故障模型库，如图3所示，案例中的故障模型库建有4个基本模块，分别是传感器模块、液压缸模块、异步电机模块以及直流电机模块。

b)载入柱塞泵的性能模型(柱塞泵性能模型最初在AMESim软件中创建，存储为pump.ame文件，打开后的模型示意如图4所示)。

c)从打开后的pump.ame文件中选中需替换模块，本例中选择一个斜盘倾角传感器模块。

d)从故障模型库中选中对应类型的模块。

可靠性模型自动生成器从故障模型库中选中传感器故障行为模块，并用其替换柱塞泵模型中原有的斜盘倾角传感器模块。当完成替换后，设置恒增益值为1.05，恒偏差值为0.05(度)，故障发生的概率分别为0.01％和0.006％。

e)在可靠性模型自动生成器中创建试验设计方案，如图5所示。进行均匀试验设计，图5中所示内容为柱塞泵的斜盘转速，设置为1700到1900(转/分)范围内的均匀分布。

f)运行试验，可靠性模型自动生成器根据均匀试验设计结果，在仿真试验之前通过通用仿真软件接口将试验参数写入柱塞泵模型，并自动运行试验设计结果所需的全部5组仿真试验，如图6所示。

g)得到试验结果报表和对应的试验结果曲线，如图7所示，分别显示了在1700-1900(转/分)转速下柱塞泵的累积流量。

Claims (5)

1.一种可靠性模型自动生成方法，其特征在于：其步骤如下：

步骤1，建立故障模型库：通过外购商业软件MATLAB和AMESim建立能够既体现常用机电产品正常工作状态又体现其常见故障模式的故障模型库，这里指出的常用机电产品至少应包括：传感器、液压缸、异步电机、直流电机，其对应的故障模式：传感器增益变化、恒偏差，液压缸泄漏、卡死，无刷电机轴承断裂和绕组断路，直流电机轴卡死、效率降低；

步骤2，引入产品性能模型：性能模型产生于产品性能设计过程中，基于外购商业软件生成；用模型解析器读取描述性能模型的磁盘文件，将已有的基于商业软件构建的产品性能模型，加载到可靠性模型自动生成器中；

步骤3，选定待替换模块：在完成步骤2中所引入性能模型的加载过程时，可靠性模型自动生成器的图形化用户界面即GUI将会显示出性能模型的拓扑结构，使用者通过GUI直接操作性能模型，标记性能模型中需要引入故障行为的模块；

步骤4，生成可靠性模型：可靠性模型自动生成器以自动方式，或辅助使用者以手动方式，从故障模型库中检索到与待替换模块相对应类型的模块，并自动替换产品的性能模型中被指定的模块；

步骤5，可靠性试验设计：使用者在可靠性模型自动生成器中进行可靠性仿真试验的试验设计，即创建不同的可靠性仿真试验方案，并为每一种方案编辑试验设计表；

步骤6，可靠性自动仿真：可靠性模型自动生成器根据步骤5中使用者制定的试验设计结果即试验设计表，同时利用通用仿真软件接口驱动商业软件MATLAB和AMESim进行仿真；

步骤7，收集仿真试验结果：将仿真产生的数据从内存中取出，保存于磁盘，使用者根据具体情况指定需要输出的数据项，可靠性模型自动生成器将自动生成由这些数据项构成的EXCEL报表或相关性曲线。

2.根据权利要求1所述的一种可靠性模型自动生成方法，其特征在于：在步骤2中所述的描述性能模型的磁盘文件是指：MATLAB软件生成的“*.mdl”类型文件，AMESim软件中对应的“*.ame”类型文件；在步骤2中所述的可靠性模型自动生成器是一种软件工具，其功能为：载入产品性能模型并实现可靠性模型的自动生成；辅助使用者进行可靠性仿真试验的试验设计；依据试验设计结果自动进行可靠性仿真试验并收集试验数据；在步骤2中所述的模型解析器：它负责从描述性能模型的磁盘文件中读取出性能模型中模块之间的连接关系，各模块的名称、类型以及在图形化用户界面中显示的几何尺寸和位置坐标，并依据这些信息生成可靠性模型自动生成器中定义的数据类型。

3.根据权利要求1所述的一种可靠性模型自动生成方法，其特征在于：在步骤4中所述的自动方式，需要满足条件：在性能模型的建模过程中标记了步骤3中所指定模块代表的实际产品组件，即通过在模块名称中加入代表产品组件信息的关键字，也就是说在建模过程中应标记该模块代表传感器或液压缸或异步电机或直流电机；只有在此条件下，可靠性模型自动生成器才能够对照待替换模块所代表的产品组件，从故障模型库中自动检索到代表同类产品组件的模块。

4.根据权利要求1所述的一种可靠性模型自动生成方法，其特征在于：在步骤4中所述的手动方式是指，在不满足实现自动方式的条件时，用户从可靠性自动建模工具中直接打开故障模型库，并对照待替换模块所代表的产品组件，从中找到代表同类产品组件的模块。

5.根据权利要求1所述的一种可靠性模型自动生成方法，其特征在于：在步骤5中所述的可靠性仿真试验方案，是为了以通过仿真试验获得产品可靠性指标为目的而制定的计划；可靠性仿真试验方案由相关的试验设计表组成；在完成试验设计后将该试验设计表保存于磁盘中的xml格式文档或EXCEL表格之中。

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