CN102799619B - 一种基于产品三维模型的故障模式可视化方法 - Google Patents

Abstract

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。本发明在产品设计技术领域里有良好的应用前景。

Description

一种基于产品三维模型的故障模式可视化方法

技术领域

本发明涉及复杂产品可靠性设计实现过程中，一种基于产品三维模型的故障模式可视化方法。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。本发明属于产品设计技术领域。

背景技术

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。为此本发明应用可视化技术，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。

发明内容

1、目的：本发明的目的是提供一种基于产品三维模型的故障模式可视化方法，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，本发明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。

本发明一种基于产品三维模型的故障模式可视化方法，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1、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（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），……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，本发明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1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

本发明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1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1的位置为（x_f1，y_f1，z_f1），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1产品故障模式信息（示例）

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

本发明中，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：r_A，r_B，r_C，r_D以及r_E。

本发明中，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、Ⅱ、Ⅲ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。

本发明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：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。

分析方法有三种：

1）通过空间模型中球的密度和颜色，直观感受故障的位置，故障的密度、强度的分布；

2）通过空间模型中球的密度和颜色动态变化情况，直观感受故障模式消减的过程；

3）对个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、三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，从而可以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。并从空间模型中球的密度和颜色动态变化情况，直观感受故障模式消减的过程，同时也方便统计现有故障模式信息。

前文所针对的，是一个复杂产品在某一种技术状态下的故障模式可视化模型。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，能够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。通过比较这些模型，设计人员可以直观的，立即了解故障模式的变化情况：有哪些故障存在？有哪些故障得以消除？有哪些故障仍未消除？产品哪个区块的故障情况严重？这些故障需要通过哪种方法消减？掌握了这些信息，设计人员可依据实际情况采取相应的改善措施，对故障进行消减，从而大大提高了工作效率，而不必从繁琐的文字中对信息进行分析。

在本方法最后，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，制图信息等资料对模型进行正确性检验。

其中，步骤三中所述的故障模式信息的可视化建模，其具体实现过程如下：

第1步，确定球体体积半径和长方体体积尺寸之间的关系

球体半径代表故障模式发生概率，长方体代表产品所在的区块。在步骤1中已确定了区块的长方体边长，为了体现故障模式数量，严酷度程度，发生概率等级与区块之间的视觉关系，需要确定球体半径和长方体尺寸之间的关系。球体和长方体需要满足以下规则：

●球体不能超出长方体区域

●故障模式多的区域和故障模式少的区块需要有明显的视觉层次差

具体的确定方法如下：

1）确定发生概率级别间球径r的关系。

设定5个故障发生概率级别的球体体积分为别：V_A，V_B，V_C，V_D以及V_E。设五者之间的体积关系为：V_A:V_B:V_C:V_D:V_E=5:4:3:2:1。

由于V=4/3*π*r^3，所以r_A，r_B，r_C，r_D，r_E之间的关系也随之确定。r_A，r_B，r_C，r_D，r_E之间的关系为：

● $r_A=\sqrt[3]{5}*r_E=1.71*r_E$

● $r_B=\sqrt[3]{4}*r_E=1.55{*r}_E$

● $r_C=\sqrt[3]{3}*r_E=1.44*r_E$

● $r_D=\sqrt[3]{2}*r_E=1.25*r_E$

由于不同长方体中的球径值可能不相同，所以，设定r_A，r_B，r_C，r_D，r_E为r_numA，r_numB，r_numC，r_numD，r_numE，其中num代表区块的编号，以此来区分不同区块中的球径值。

2）求包含“最大球体体积”的长方体

为了保证包含“最大球体体积”的长方体中的球体排布美观，不会因为“越界”或“过于拥挤”而影响三维模型的分析，需要找出这个长方体，并对其中球体球径进行设定。设在某长方体内，需要包含N个球体。

首先，需要统计每个区块的N_numA，N_numB，N_numC，N_numD，N_numE，num代表区块编号。值得一提的是，有一些故障模式的位置是相同的，因此表示这些故障模式的球体球心也是相同的。在这种情况下，只统计发生概率最大的那个故障模式（球体所占体积最大），其他故障模式由于概率等级小（球体所占体积小），从视三维模型中看这些小球被大球包含在其中，所以可以不予考虑。例如，有5个故障模式处在相同的位置，从可视化界面中可以看到5个相同球心的球体重叠，在统计球体数量的时候，只取最大的那个球体，因为其余球体均包含于大球内，不占额外空间。每个发生概率级别的球体数量分别为：N_numA，N_numB，N_numC，N_numD，N_numE，其中N_num＝N_numA，N_numB，N_numC，N_numD，N_numE。

接着，进行具体的计算。由于V_numA:V_numB:V_numC:V_numD:V_numE=5:4:3:2:1，这里num值必须相等。所以：

V_S=V_numA*N_numA+V_numB*N_numB+V_numC*N_numC+V_numD*N_numD+V_numE*N_numE

=5*V_numE*N_numA+4*V_numE*N_numB+3V_numE*N_numC+2*V_numE*N_numD+V_numE*N_numE

=V_numE*(5*N_numA+4*N_numB+3*N_numC+2*N_numD+N_numE)，V_S为球体总体积。

令5*N_numA+4*N_numB+3*N_numC+2*N_numD+N_numE=Q_num

3）计算长方体体积和球体体积的比例关系

目的在于计算球径的极限值，使球体不会超出任何长方体区块的空间。依据是假定包含球体总体积比例最大的长方体被球体充满，则其余长方体必定不会产生球体“越界”的现象且不会充满长方体空间。

●分别比较这些长方体的Q_num值，取其中最大的Q_MAX进行下一步计算。

步骤一中已经确定了长方体的边长，令长=L，宽=W，高=H，因此长方体的体积V_numB=L_num*W_num*H_num，其中num代表区块编号。

令，V_S=V_numE*(5*N_numA+4*N_numB+3*N_numC+2*N_numD+N_numE)_MAX<=Vnum_B

即，V_numE*Q_MAX<=V_numB，若已知长方体体积V_numB，求满足该不等式的最大V_numE值。

其中，将Q_MAX定义为其他长方体和其内部包含的概率等级为E的球体之间的体积比值。所以，可以根据反算，推导得出其余长方体中代表等级E的球体的球径通式，其推理过程为：

4/3*π*r_E*^3=V_numB/Q_MAX

$\mathrm{rnumE}=\sqrt[3]{\mathrm{VnumB}*\frac{3}{\mathrm{QMAX}*4*\mathrm{\&pi;}}}$

此算式目的在于计算球径的极限值，使球体不会超出长方体空间。此计算依据是假定包含球体总体积比例最大的长方体被球体充满，则其余长方体必定不会产生球体“越界”的现象且不会充满长方体空间。所获信息如表3所示：

表3各区块不同等级球体的球径值

区块编号

长方体体积

VB/QMAX

rA

rB

rC

rD

rE

●修正半径值

但是，实际实施过程中可能存在这样的问题：由于长方体的形状特殊而使得上面求取的球径值在实际中将影响排布效果，甚至影响模型分布。

例如，一个狭长的长方体的长、宽、高分别为：（200,1,40|编号为1），一个正方体的长、宽、高分别为：（20,20,20|编号为2），两者的长方体体积V_B是相等的，若两者的Q值也相等，则根据上述方法所求出的球径值应相等。假设所求r_1A为5，可知球径为5的球体在宽为1的长方体中将完全“超出”，因为其半径值远大于长方体的宽，这样的排布是非常影响视图的。

上述方法没有考虑到长方体的形状问题，所以在这一步需要对半径值进行修复，增加对长方体形状影响因素的考虑。有两种情况：

第一种——包含“最大球体体积”长方体的最短边长小于此区块对应r_A值

求出包含最大球体积的区块中相关的r_A，r_B，r_C，r_D，r_E的值后，若求出的r_A大于长方体最短边长的1/2，则可将r_A的值设定为最短边长的1/3，即r_A=1/3L_min，其中L_min为最短边长。于此同时，其他的区块中的半径值也许有所调整，其算法如下：

假设由前一种算法求出的r_A=a，调整后的r_A=1/3L_min。设两者变化率为m，其中m=a/(1/3L_min)，显然m>1。其他区块中的半径需要同时除以m，即以等比例值缩小，即r_A’=r_A/m，其中r_A为情况1中所求值，r_A’为调整值。

同理，其他半径也可依据半径间的相互关系进行调整，算法如下所示：

●r_B=1.55＊r_A’/1.71

●r_C=1.44＊r_A’/1.71

●r_D=1.25＊r_A’/1.71

●r_E=r_A’/1.71

第二种——其他长方体的最短边长小于此区块对应r_A值

若是其他的长方体出现最短边长小于其对应r_A值，则可将r_A的值设定为最短边长的1/3，即r_A=1/3L_min，其中L_min为最短边长。但是，其他的区块中的半径值保持不变。

最后可得出修正的各区块不同等级球体的球径值，如表4所示：

表4各区块不同等级球体的修正球径值

区块编号

长方体体积

VB/QMAX

r’A

r’B

r’C

r’D

r’E

第2步，可视化建模

本说明书选用AUTODESK 3Ds MAX软件作为产品的三维模型建模工具，进行示意性说明。

1）新建一个文件，软件界面中显示了三维空间界面，我们将其作为产品的三维模型。

2）将步骤一中获取的信息，在三维模型中进行模拟区块的长方体的建模。

●点击创建基本几何体——长方体

●在参数信息面板中输入长方体的长、宽、高（区块长方体化的边界值）以及中心坐标（区块的重心坐标）等信息

●软件中默认的长方体坐标是长方体底面的中心坐标，所以依据这一情况，应对之前获取的区块中心坐标进行修正。

●设置长方体属性，令其以框架、透明的形式显示。

输入以上信息，软件将在三维空间中自动生成一长方体，如图5所示。

3）依据步骤2中获得的故障发生位置坐标，严酷度程度，发生概率等级等相关信息，进行球体的创建。由于长方体的体积和各边长是确定，所以通过前文中的计算方法可以确定r_A，r_B，r_C，r_D，r_E与长方体的比例关系，从而求出r_A，r_B，r_C，r_D，r_E的具体数值。下面将在三维空间中进行球体建模。

●点击创建基本几何体——球体

●在参数信息面板中输入球心的坐标（故障发生位置坐标）

●依据故障发生概率等级选择球径r（依据所在区块长方体的体积确定）

●依据严酷度程度选择球体的颜色

●设置球体属性，令其透明度为50%

输入以上信息，软件将在三维空间中自动生成一球体，如图6所示。

4）同理，依据2），3）中长方体和球体的创建方法，将步骤一，步骤二中的所有故障信息进行可视化建模。最终可以将该复杂产品的故障模式进行可视化，如图7所示。从图中我们可以清晰的了解故障的分布情况；通过球体混合颜色的深浅，我们能直观得了解复杂产品的哪个区块故障情况严重，从而采取相应措施改进。

5）统一调整参数C

统一调整参数C的作用是：可对产品模型中的故障模式球的半径进行统一的调整，有利于更清晰的观察。

此参数可依照工作人员的喜好和三维视图的实际情况加以设定，其目的在于便于设计人员对视图进行观察和分析。

通过确定球体体积半径和长方体体积尺寸之间的关系，所得出来的球径值只是从理论上来说，较适宜设计人员对三维视图进行观察。但是，应该另外增加一个统一的调整参数C，对球径值进行统一调整，便于设计人员依据实际情况进行拿捏，使得其可以更加灵活得进行分析。例如，通过前一步确定了球的半径并通过建模进行了三维视图的绘制，但在实际的分析过程中，设计人员从个人角度认为球径值的大小不便于分析，需要进行统一的放大或者缩小，再进行下一步的观察和分析。

基于上述过程，我们建立了复杂产品在某技术状态下的故障模式的三维视图，实现了故障模式的可视化。

3、优点及功效：本发明的主要优点是：使设计人员通过可视化的故障模式界面，迅速观察到产品故障模式的实际情况，并依次采取相应措施和手段逐一解决这些设计中存在的缺陷和不足，从而快速、有效地实现RMS指标要求，进而缩短研制周期，降低研制成本，大大提高工作效率。

附图说明

图1测量模拟区块的长方体边长

图2代表故障模式的球体

图3不同严酷度程度的球体颜色示例

图4球体相交的示例图

图5长方体建模

图6球体建模

图7故障模式可视化建模

图8为本发明流程框图

具体实施方式

见图8，本发明一种基于产品三维模型的故障模式可视化方法，它按照以下四个步骤进行：

步骤一：复杂产品的区块化分析

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，……，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（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），……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，本发明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1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。本案例列举了一个常见的基本几何体，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。如图1所示。

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）。设计步骤1中获取的信息表，其表头设计如表2所示：

表2区块分析信息表

步骤二：获取故障模式相关信息

本发明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1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1的位置为（x_f1，y_f1，z_f1），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2产品故障模式信息（示例）

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

本发明中，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表示为为：r_A,r_B,r_C,r_D以及r_E。

本发明中，用球体的颜色代表故障严酷度类别，如图3所示。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（如红色）代表造成严重性后果的故障模式，以提醒工作人员注意。

本发明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。

依据如下步骤可实现基于三维模型的故障模式可视化建模。

第1步，确定球体体积半径和长方体体积尺寸之间的关系

球体半径代表故障模式发生概率，长方体代表产品所在的区块。在步骤1中已确定了区块的长方体边长，为了体现故障模式数量，严酷度程度，发生概率等级与区块之间的视觉关系，需要确定球体半径和长方体尺寸之间的关系。球体和长方体需要满足以下规则：

●球体不能超出长方体区域

●故障模式多的区域和故障模式少的区块需要有明显的视觉层次差

具体的确定方法如下：

1）确定发生概率级别间球径r的关系。

设定5个故障发生概率级别的球体体积分为别：V_A，V_B，V_C，V_D以及V_E。设五者之间的体积关系为：V_A:V_B:V_C:V_D:V_E=5:4:3:2:1。

由于V=4/3*π*r^3，所以r_A，r_B，r_C，r_D，r_E之间的关系也随之确定。r_A，r_B，r_C，r_D，r_E之间的关系为：

● $r_A=\sqrt[3]{5}*r_E=1.71*r_E$

● $r_B=\sqrt[3]{4}*r_E=1.55{*r}_E$

● $r_C=\sqrt[3]{3}*r_E=1.44*r_E$

● $r_D=\sqrt[3]{2}*r_E=1.25*r_E$

由于不同长方体中的球径值可能不相同，所以，设定r_A，r_B，r_C，r_D，r_E为r_numA，r_numB，r_numC，r_numD，r_numE，其中num代表区块的编号，以此来区分不同区块中的球径值。

2）求包含“最大球体体积”的长方体

为了保证包含“最大球体体积”的长方体中的球体排布美观，不会因为“越界”或“过于拥挤”而影响三维模型的分析，需要找出这个长方体，并对其中球体球径进行设定。设在某长方体内，需要包含N个球体。

首先，需要统计每个区块的N_numA，N_numB，N_numC，N_numD，N_numE，num代表区块编号。值得一提的是，有一些故障模式的位置是相同的，因此表示这些故障模式的球体球心也是相同的。在这种情况下，只统计发生概率最大的那个故障模式（球体所占体积最大），其他故障模式由于概率等级小（球体所占体积小），从视三维模型中看这些小球被大球包含在其中，所以可以不予考虑。例如，有5个故障模式处在相同的位置，从可视化界面中可以看到5个相同球心的球体重叠，在统计球体数量的时候，只取最大的那个球体，因为其余球体均包含于大球内，不占额外空间。每个发生概率级别的球体数量分别为：N_numA，N_numB，N_numC，N_numD，N_numE，其中N_num＝N_numA，N_numB，N_numC，N_numD，N_numE。

接着，进行具体的计算。由于V_numA:V_numB:V_numC:V_numD:V_numE=5:4:3:2:1，这里num值必须相等。所以：

V_S=V_numA*N_numA+V_numB*N_numB+V_numC*N_numC+V_numD*N_numD+V_numE*N_numE

=5*V_numE*N_numA+4*V_numE*N_numB+3*V_numE*N_numC+2*V_numE*N_numD+V_numE*N_numE

=V_numE*(5*N_numA+4*N_numB+3*N_numC+2*N_numD+N_numE)，V_S为球体总体积。

令5*N_numA+4*N_numB+3*N_numC+2*N_numD+N_numE=Q_num

3）计算长方体体积和球体体积的比例关系

目的在于计算球径的极限值，使球体不会超出任何长方体区块的空间。依据是假定包含球体总体积比例最大的长方体被球体充满，则其余长方体必定不会产生球体“越界”的现象且不会充满长方体空间。

●分别比较这些长方体的Q_num值，取其中最大的Q_MAX进行下一步计算。

步骤一中已经确定了长方体的边长，令长=L，宽=W，高=H，因此长方体的体积V_numB=L_num*W_num*H_num，其中num代表区块编号。

令，V_S=V_numE*(5*N_numA+4*N_numB+3*N_numC+2*N_numD+N_numE)_MAX<=Vnum_B

即，V_numE*Q_MAX<=V_numB，若已知长方体体积V_numB，求满足该不等式的最大V_numE值。

其中，将Q_MAX定义为其他长方体和其内部包含的概率等级为E的球体之间的体积比值。所以，可以根据反算，推导得出其余长方体中代表等级E的球体的球径通式，其推理过程为：

4/3*π*r_E*^3=V_numB/Q_MAX

$\mathrm{rnumE}=\sqrt[3]{\mathrm{VnumB}*\frac{3}{\mathrm{QMAX}*4*\mathrm{\&pi;}}}$

此算式目的在于计算球径的极限值，使球体不会超出长方体空间。此计算依据是假定包含球体总体积比例最大的长方体被球体充满，则其余长方体必定不会产生球体“越界”的现象且不会充满长方体空间。所获信息如表3所示：

表3各区块不同等级球体的球径值

区块编号

长方体体积

VB/QMAX

rA

rB

rC

rD

rE

●修正半径值

但是，实际实施过程中可能存在这样的问题：由于长方体的形状特殊而使得上面求取的球径值在实际中将影响排布效果，甚至影响模型分布。

例如，一个狭长的长方体的长、宽、高分别为：（200,1,40|编号为1），一个正方体的长、宽、高分别为：（20,20,20|编号为2），两者的长方体体积V_B是相等的，若两者的Q值也相等，则根据上述方法所求出的球径值应相等。假设所求r_1A为5，可知球径为5的球体在宽为1的长方体中将完全“超出”，因为其半径值远大于长方体的宽，这样的排布是非常影响视图的。

上述方法没有考虑到长方体的形状问题，所以在这一步需要对半径值进行修复，增加对长方体形状影响因素的考虑。有两种情况：

第一种——包含“最大球体体积”长方体的最短边长小于此区块对应r_A值

求出包含最大球体积的区块中相关的r_A，r_B，r_C，r_D，r_E的值后，若求出的r_A大于长方体最短边长的1/2，则可将r_A的值设定为最短边长的1/3，即r_A=1/3L_min，其中L_min为最短边长。于此同时，其他的区块中的半径值也许有所调整，其算法如下：

假设由前一种算法求出的r_A=a，调整后的r_A=1/3L_min。设两者变化率为m，其中m=a/(1/3L_min)，显然m>1。其他区块中的半径需要同时除以m，即以等比例值缩小，即r_A’=r_A/m，其中r_A为情况1中所求值，r_A’为调整值。

同理，其他半径也可依据半径间的相互关系进行调整，算法如下所示：

●r_B=1.55＊r_A’/1.71

●r_C=1.44＊r_A’/1.71

●r_D=1.25＊r_A’/1.71

●r_E=r_A’/1.71

第二种——其他长方体的最短边长小于此区块对应r_A值

若是其他的长方体出现最短边长小于其对应r_A值，则可将r_A的值设定为最短边长的1/3，即r_A=1/3L_min，其中L_min为最短边长。但是，其他的区块中的半径值保持不变。

最后可得出修正的各区块不同等级球体的球径值，如表4所示：

表4各区块不同等级球体的修正球径值

区块编号

长方体体积

VB/QMAX

r’A

r’B

r’C

r’D

r’E

第2步，可视化建模

本说明书选用AUTODESK 3Ds MAX软件作为产品的三维模型建模工具，进行示意性说明。

1）新建一个文件，软件界面中显示了三维空间界面，我们将其作为产品的三维模型。

2）将步骤一中获取的信息，在三维模型中进行模拟区块的长方体的建模。

●点击创建基本几何体——长方体

●在参数信息面板中输入长方体的长、宽、高（区块长方体化的边界值）以及中心坐标（区块的重心坐标）等信息

●软件中默认的长方体坐标是长方体底面的中心坐标，所以依据这一情况，应对之前获取的区块中心坐标进行修正。

●设置长方体属性，令其以框架、透明的形式显示。

输入以上信息，软件将在三维空间中自动生成一长方体，如图5所示。

3）依据步骤2中获得的故障发生位置坐标，严酷度程度，发生概率等级等相关信息，进行球体的创建。由于长方体的体积和各边长是确定，所以通过前文中的计算方法可以确定r_A，r_B，r_C，r_D，r_E与长方体的比例关系，从而求出r_A，r_B，r_C，r_D，r_E的具体数值。下面将在三维空间中进行球体建模。

●点击创建基本几何体——球体

●在参数信息面板中输入球心的坐标（故障发生位置坐标）

●依据故障发生概率等级选择球径r（依据所在区块长方体的体积确定）

●依据严酷度程度选择球体的颜色

●设置球体属性，令其透明度为50%

输入以上信息，软件将在三维空间中自动生成一球体，如图6所示。

4）同理，依据2），3）中长方体和球体的创建方法，将步骤一，步骤二中的所有故障信息进行可视化建模。最终可以将该复杂产品的故障模式进行可视化，如图7所示。从图中我们可以清晰的了解故障的分布情况；通过球体混合颜色的深浅，我们能直观得了解复杂产品的哪个区块故障情况严重，从而采取相应措施改进。

5）统一调整参数C

统一调整参数C的作用是：可对产品模型中的故障模式球的半径进行统一的调整，有利于更清晰的观察。

此参数可依照工作人员的喜好和三维视图的实际情况加以设定，其目的在于便于设计人员对视图进行观察和分析。

通过确定球体体积半径和长方体体积尺寸之间的关系，所得出来的球径值只是从理论上来说，较适宜设计人员对三维视图进行观察。但是，应该另外增加一个统一的调整参数C，对球径值进行统一调整，便于设计人员依据实际情况进行拿捏，使得其可以更加灵活得进行分析。例如，通过前一步确定了球的半径并通过建模进行了三维视图的绘制，但在实际的分析过程中，设计人员从个人角度认为球径值的大小不便于分析，需要进行统一的放大或者缩小，再进行下一步的观察和分析。

基于上述过程，我们建立了复杂产品在某技术状态下的故障模式的三维视图，实现了故障模式的可视化。

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r与严酷度等级系数R_c乘积之和除以区块体积V。即单位体积内危害性均值。严酷度等级系数R_c确定：1级严酷度类别系数为4，4级系数为1。

分析方法有三种：

3）通过空间模型中球的密度和颜色，直观感受故障的位置，故障的密度、强度的分布；

4）通过空间模型中球的密度和颜色动态变化情况，直观感受故障模式消减的过程；

3）对个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、三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，从而可以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。并从空间模型中球的密度和颜色动态变化情况，直观感受故障模式消减的过程，同时也方便统计现有故障模式信息。

前文所针对的，是一个复杂产品在某一种技术状态下的故障模式可视化模型。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，能够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。通过比较这些模型，设计人员可以直观的，立即了解故障模式的变化情况：有哪些故障存在？有哪些故障得以消除？有哪些故障仍未消除？产品哪个区块的故障情况严重？这些故障需要通过哪种方法消减？掌握了这些信息，设计人员可依据实际情况采取相应的改善措施，对故障进行消减，从而大大提高了工作效率，而不必从繁琐的文字中对信息进行分析。

Claims (2)

1.一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，将产品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，即长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，故障模式1的位置为(x_f1，y_f1，z_f1)，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：r_A，r_B，r_C，r_D以及r_E；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相乘后求和再除以区块体积；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。

2.根据权利要求1所述的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：步骤三中所述的故障模式信息的可视化建模，其具体实现过程如下：

第1步，确定球体体积半径和长方体体积尺寸之间的关系；

球体半径代表故障模式发生概率，长方体代表产品所在的区块；在步骤一中已确定了区块的长方体边长，为了体现故障模式数量，严酷度程度，发生概率等级与区块之间的视觉关系，需确定球体半径和长方体尺寸之间的关系；球体和长方体需要满足以下规则：

●球体不能超出长方体区域；

●故障模式多的区域和故障模式少的区块需要有明显的视觉层次差；

具体的确定方法如下：

1)确定发生概率级别间球径r的关系

设定5个故障发生概率级别的球体体积分为别：V_A，V_B，V_C，V_D以及V_E，设五者之间的体积关系为：V_A:V_B:V_C:V_D:V_E＝5:4:3:2:1，

由于V＝4/3*π*r^3，所以r_A，r_B，r_C，r_D，r_E之间的关系也随之确定；r_A，r_B，r_C，r_D，r_E之间的关系为：

● $r_A=\sqrt[3]{5}*r_E=1.71*r_E$

● $r_B=\sqrt[3]{4}*r_E=1.55*r_E$

● $r_C=\sqrt[3]{3}*r_E=1.44*r_E$

● $r_D=\sqrt[3]{2}*r_E=1.25*r_E$

由于不同长方体中的球径值不相同，所以，设定r_A，r_B，r_C，r_D，r_E为r_numA，r_numB，r_numC，

r_numD，r_numE，其中num代表区块的编号，以此来区分不同区块中的球径值；

2)求包含“最大球体体积”的长方体

为了保证包含“最大球体体积”的长方体中的球体排布美观，不会因为“越界”或“过于拥挤”而影响三维模型的分析，需要找出这个长方体，并对其中球体球径进行设定；设在某长方体内，需要包含N个球体；

首先，需要统计每个区块的N_numA，N_numB，N_numC，N_numD，N_numE，num代表区块编号，有一些故障模式的位置是相同的，因此表示这些故障模式的球体球心也是相同的，在这种情况下，只统计发生概率最大的那个故障模式，其它故障模式由于概率等级小，从三维模型中看这些小球被大球包含在其中，所以不予考虑；有5个故障模式处在相同的位置，从可视化界面中看到5个相同球心的球体重叠，在统计球体数量的时候，只取最大的那个球体，因为其余球体均包含于大球内，不占额外空间，每个发生概率级别的球体数量分别为：N_numA，N_numB，N_numC，N_numD，N_numE，其中N_num＝N_numA，N_numB，N_numC，N_numD，N_numE；

接着，进行具体的计算，由于V_numA:V_numB:V_numC:V_numD:V_numE＝5:4:3:2:1，这里num值必须相等，所以：

V_S＝V_numA*N_numA+V_numB*N_numB+V_numC*N_numC+V_numD*N_numD+V_numE*N_numE＝5*V_numE*N_numA+4*V_numE*N_numB+3*V_numE*N_numC+2*V_numE*N_numD+V_numE*N_numE＝V_numE*(5*N_numA+4*N_numB+3*N_numC+2*N_numD+N_numE)，V_S为球体总体积；

令5*N_numA+4*N_numB+3*N_numC+2*N_numD+N_numE＝Q_num

3)计算长方体体积和球体体积的比例关系

目的在于计算球径的极限值，使球体不会超出任何长方体区块的空间，依据是假定包含球体总体积比例最大的长方体被球体充满，则其余长方体必定不会产生球体“越界”的现象且不会充满长方体空间；

●分别比较这些长方体的Q_num值，取其中最大的Q_MAX进行下一步计算；

步骤一中已经确定了长方体的边长，令长＝L，宽＝W，高＝H，因此长方体的体积V_numB＝L_num*W_num*H_num，其中num代表区块编号；

令，V_S＝V_numE*(5*N_numA+4*N_numB+3*N_numC+2*N_numD+N_numE)_MAX<＝Vnum_B

即，V_numE*Q_MAX<＝V_numB，若已知长方体体积V_numB，求满足该不等式的最大V_numE值；

其中，将Q_MAX定义为其它长方体和其内部包含的概率等级为E的球体之间的体积比值，所以，根据反算，推导得出其余长方体中代表等级E的球体的球径通式，其推理过程为：

4/3*π*r_E*^3＝V_numB/Q_MAX

$\mathrm{rnumE}=\sqrt[3]{\mathrm{VnumB}*\frac{3}{\mathrm{QMAX}*4*\mathrm{\&pi;}}}$

此算式目的在于计算球径的极限值，使球体不会超出长方体空间；此计算依据是假定包含球体总体积比例最大的长方体被球体充满，则其余长方体必定不会产生球体“越界”的现象且不会充满长方体空间；所获信息如下列表3所示：

表3各区块不同等级球体的球径值

区块编号 长方体体积 V_B/Q_MAX r_A r_B r_C r_D r_E

●修正半径值

实际实施过程中存在这样的问题：由于长方体的形状特殊而使得上面求取的球径值在实际中将影响排布效果，甚至影响模型分布；

上述方法没有考虑到长方体的形状问题，所以在这一步需要对半径值进行修复，增加对长方体形状影响因素的考虑；有两种情况：

第一种——包含“最大球体体积”长方体的最短边长小于此区块对应r_A值；

求出包含最大球体积的区块中相关的r_A，r_B，r_C，r_D，r_E的值后，若求出的r_A大于长方体最短边长的1/2，则将r_A的值设定为最短边长的1/3，即r_A＝1/3L_min，其中L_min为最短边长；于此同时，其它的区块中的半径值也有所调整，其算法如下：

假设由前一种算法求出的r_A＝a，调整后的r_A＝1/3L_min，设两者变化率为m，其中m＝a/(1/3L_min)，显然m>1；其它区块中的半径需要同时除以m，即以等比例值缩小，即r_A’＝r_A/m，其中r_A为情况1中所求值，r_A’为调整值；

同理，其它半径也依据半径间的相互关系进行调整，算法如下所示：

●r_B＝1.55*r_A’/1.71

●r_C＝1.44*r_A’/1.71

●r_D＝1.25*r_A’/1.71

●r_E＝r_A’/1.71；

第二种——其他长方体的最短边长小于此区块对应r_A值；

若是其它的长方体出现最短边长小于其对应r_A值，则将r_A的值设定为最短边长的1/3，即r_A＝1/3L_min，其中L_min为最短边长；但是，其它的区块中的半径值保持不变；

最后得出修正的各区块不同等级球体的球径值，如下列表4所示：

表4各区块不同等级球体的修正球径值

区块编号 长方体体积 V_B/Q_MAX r’_A r’_B r’_C r’_D r’_E

第2步，可视化建模；

选用AUTODESK 3Ds MAX软件作为产品的三维模型建模工具，进行说明；

1)新建一个文件，软件界面中显示了三维空间界面，将其作为产品的三维模型；

2)将步骤一中获取的信息，在三维模型中进行模拟区块的长方体的建模；

●点击创建基本几何体——长方体

●在参数信息面板中输入长方体的长、宽、高即区块长方体化的边界值以及中心坐标即区块的重心坐标信息；

●软件中默认的长方体坐标是长方体底面的中心坐标，依据这一情况，应对之前获取的区块中心坐标进行修正；

●设置长方体属性，令其以框架、透明的形式显示；

输入以上信息，软件将在三维空间中自动生成一长方体；

3)依据步骤二中获得的故障发生位置坐标、严酷度程度和发生概率等级相关信息，进行球体的创建；由于长方体的体积和各边长是确定，所以通过前述的计算方法确定r_A，r_B，r_C，r_D，r_E与长方体的比例关系，从而求出r_A，r_B，r_C，r_D，r_E的具体数值；面将在三维空间中进行球体建模；

●点击创建基本几何体——球体；

●在参数信息面板中输入球心的坐标即故障发生位置坐标；

●依据故障发生概率等级选择球径r，即依据所在区块长方体的体积确定；

●依据严酷度程度选择球体的颜色；

●设置球体属性，令其透明度为50％；

输入以上信息，软件将在三维空间中自动生成一球体；

4)同理，依据2)，3)中长方体和球体的创建方法，将步骤一，步骤二中的所有故障信息进行可视化建模，最终将该复杂产品的故障模式进行可视化，清晰的了解故障的分布情况；通过球体混合颜色的深浅，了解复杂产品的哪个区块故障情况严重，从而采取相应措施改进；

5)统一调整参数C

统一调整参数C的作用是：对产品模型中的故障模式球的半径进行统一的调整，有利于更清晰的观察；此参数依照工作人员的喜好和三维视图的实际情况加以设定，其目的在于便于设计人员对视图进行观察和分析；

通过确定球体体积半径和长方体体积尺寸之间的关系，所得出来的球径值只是从理论上来说，较适宜设计人员对三维视图进行观察；但是，应该另外增加一个统一的调整参数C，对球径值进行统一调整，便于设计人员依据实际情况进行拿捏，进行分析；通过前一步确定了球的半径并通过建模进行了三维视图的绘制，但在实际的分析过程中，设计人员从个人角度认为球径值的大小不便于分析，需要进行统一的放大或者缩小，再进行下一步的观察和分析；基于上述过程，建立了复杂产品在技术状态下的故障模式的三维视图，实现了故障模式的可视化。