一種產品功能結構與維修性設計要素的重要性評估方法與流程
2023-06-08 22:11:36 1
本發明涉及維修性設計與產品設計的技術領域，具體涉及一種產品功能結構與維修性設計要素的重要性評估方法。
背景技術：
在維修性設計過程中，如何將維修性的要求和指標轉換成功能結構設計的約束是一個重要的問題。傳統的產品維修性設計過程中，將維修性約束分為定量要求和定性要求。定量要求一般具有明確的指標，包括平均修復時間、維修工時率、每日小修時間等，維修性定量指標選取根據具體產品不同而有所差別。為了令定量指標對產品設計產生約束，要將上一層次產品的時間指標分配到下一層，一層一層重複，直到lru(外場可更換單元)。定性要求一般根據國軍標分為八個方面：可達性、人機工程、簡化設計、標準化與互換性、防差錯、維修安全性、診斷檢測和可修復性，為了令定性要求對產品設計產生約束，需要將要求轉換為細緻的維修性設計準則，以指導設計人員進行產品功能結構設計。工程實踐證明，維修性定性定量要求的約束從一定程度上提高了產品的維修性，但是由於維修性設計過程滯後、維修性要求難以轉換成設計人員容易理解的設計約束等原因，產品維修性設計過程依然比較薄弱，獲得的維修性成果還不夠令人滿意。
複雜大型產品系統結構緊湊、複雜，工作環境多變，這使得基層ⅰ級和基層ⅱ級承擔了很多故障的修理任務。在基層ⅰ級和基層ⅱ級有限的維修條件下，要排除大部分故障需要產品具有相當的維修性。本發明的面向複雜大型產品的設計過程，以維修性工程和系統工程並行工程理論為指導，以維修性設計與傳統功能結構設計集成和綜合為目標，重在建立複雜產品功能設計特徵與維修性要求的定性約束與定量約束之間的量化關係，提出功能結構與維修性設計要素重要性評估方法，量化評估維修性定性與定量設計要素對功能機構設計的重要程度，作為重要的客觀依據指導設計人員開展產品設計工作，為產品功能性能與維修性一體化設計提供有效的與可操作的方法，從而提高產品的維修性。
技術實現要素：
本發明要解決的技術問題為：本發明提供一種產品功能結構與維修性設計要素的重要性評估方法，解決產品在早期設計階段，功能結構與維修性設計關聯不緊密，缺乏有效的工具與技術手段使維修性設計要求對功能結構設計產生影響，從而導致性能設計與質量設計脫節的問題。
本發明採用的技術方案為：一種產品功能結構與維修性設計要素的重要性評估方法，該方法包括如下步驟：
步驟(1)、產品功能結構與維修性設計要素關聯輸入；
步驟(2)、產品功能結構與維修性定量設計要素重要性評估；
步驟(3)、產品功能結構與維修性定性設計要素重要性評估；
步驟(4)、產品系統級功能結構與維修性設計要素重要性評估。
其中，步驟(2)中產品功能結構與維修性定量設計要素重要性評估是利用功能結構與維修性定量設計要素重要度評估方法，度量產品單元級功能結構與維修性定量設計要素的重要度，對功能結構設計要素進行重要度排序，具體包括：
1)度量單個功能結構設計要素對單個維修性定量設計要素的重要度；
2)計算單個功能結構設計要素對維修性定量總體設計要素的重要度。
其中，步驟(3)中產品功能結構與維修性定性設計要素重要性評估是利用功能結構與維修性定量設計要素重要度評估方法，度量產品單元級功能結構與維修性定性設計要素的重要度，對功能結構設計要素進行重要度排序，具體包括：
1)度量單個功能結構設計要素對單個維修性定性設計要素的重要度；
2)計算單個功能結構設計要素對維修性定性總體設計要素的重要度。
其中，步驟(4)中產品系統級功能結構與維修性設計要素重要性評估是利用產品系統級功能結構與維修性設計要素評估方法，度量產品系統級功能結構與維修性設計要素的重要度，對功能結構設計要素進行重要度排序，系統級考慮的維修性評價指標主要包括一次可達率，一次可達度，一次可檢測率，重量舒適率，系統免調率和系統平均管路折度。
本發明與現有技術相比的優點在於：
(1)本發明創造性地提出了量化方法，評估產品維修性對功能結構設計影響的重要程度，解決了將維修性的要求和指標轉換成功能結構設計約束的技術難點，豐富了維修性與功能結構設計一體化的方法和技術手段；
(2)本發明為設計人員提供客觀有效的量化數據依據，為功能性能與維修性一體化設計提供可操作的方法，提高了產品的維修性。
附圖說明
圖1為緊固件之螺栓螺母；
圖2為緊固件之快卸鎖；
圖3為緊固件之十字螺釘；
圖4為緊固件之塑料卡箍；
圖5為管路連接件之雙通管路接頭；
圖6為管路連接件之三通管路接頭；
圖7為小型觸碰式按壓鎖固定口蓋；
圖8不脫落性螺栓螺母；
圖9為四種折度的管路設計；
圖10為大於90°的彎折；
圖11為小於90°的彎折；
圖12為車輛潤滑系組成；
圖13為機油箱功能結構設計要素對維修拆卸時間的重要度柱形圖(樣本多)；
圖14為機油箱功能結構設計要素對維修拆卸時間的重要度柱形圖(樣本少)；
圖15為機油箱單元級功能結構設計要素對維修性定量設計要素的重要度柱形圖；
圖16為機油箱單元級功能結構設計要素對可達性的重要度柱形圖(樣本多)；
圖17為機油箱單元級功能結構設計要素對可達性的重要度柱形圖(樣本少)；
圖18為機油箱功能結構設計要素對維修性定性總體設計要素的重要度柱形圖；
圖19為本發明原理框圖。
具體實施方式
下面結合附圖以及具體實施方式進一步說明本發明。
本發明採用的技術方案為：一種產品功能結構與維修性設計要素的重要性評估方法，該方法包括如下步驟：
步驟(1)、產品功能結構與維修性設計要素關聯輸入；
步驟(2)、產品功能結構與維修性定量設計要素重要性評估；
步驟(3)、產品功能結構與維修性定性設計要素重要性評估；
步驟(4)、產品系統級功能結構與維修性設計要素重要性評估。
其中，步驟(1)具體包括以下步驟：
分析產品功能結構與維修性設計關聯關係，輸入產品功能結構與維修性關聯矩陣。輸入數據主要包括產品單元級功能結構與維修性定量設計要素關聯矩陣、產品單元級功能結構與維修性定性設計要素關聯矩陣以及產品系統級功能結構與維修性評價指標關聯矩陣，為後續的重要性評估方法提供數據來源。具體為：
為評估複雜產品功能結構與維修性設計要素的重要性，首先需要對產品進行分析，了解掌握產品的功能以及結構組成。將產品功能結構設計要素分為屬性、接口和環境約束三大類，將維修性設計要素分為單元級的定性與定量要素以及系統級的評價指標。根據掌握的產品信息填寫「產品單元級功能結構與維修性定量設計要素關聯矩陣」、「產品單元級功能結構與維修性定性設計要素關聯矩陣」和「產品系統級功能結構與維修性評價指標關聯矩陣」，分別如表1、表2和表3所示，為後續的重要性評估提供數據來源。
表1產品單元級功能結構與維修性定量設計要素關聯矩陣
表2產品單元級功能結構與維修性定性設計要素關聯矩陣
表3產品系統級功能結構與維修性評價指標關聯矩陣
表格中，每一個元素表示功能結構設計要素與其所對應的維修性設計要素的相關性程度，該數值採用九級標度法進行定量描述，具體如下表4所示。
表4.九級標度定義
因此，表格中某一元素數值越大，表示該功能結構設計要素對對應的維修性設計要素的影響程度也越大。
其中，步驟(2)具體包括以下步驟：
利用功能結構與維修性定量設計要素重要度評估方法，度量產品單元級功能結構與維修性定量設計要素的重要度，對功能結構設計要素進行重要度排序。具體包括：
1)度量單個功能結構設計要素對單個維修性定量設計要素的重要度；
2)計算單個功能結構設計要素對維修性定量總體設計要素的重要度。具體的，
1.單個功能結構設計要素對單個維修性定量設計要素的重要度評估
基於產品功能結構與維修性設計要素的關聯矩陣，為了數據的合理利用和結果正確評估，這項工作需要一定數量的數據收集，即需要一定數量的樣本量。但是由於各方麵條件的限制，所獲取的樣本量可能較多，也可能較少。以下，對樣本收集情況進行分類重要度評估。
1.1樣本量收集較多
當收集的產品單元級功能結構與維修性定量設計要素關聯矩陣樣本份數大於或等於功能結構設計要素的數量，認為樣本收集較多。
具體評估步驟如下：
1)若有m個矩陣樣本，評估各功能結構設計要素對某一維修性定量設計要素的重要度。首先從各樣本中整理得到影響程度數據如表5所示，n為功能結構設計要素的數量(在本方法中，n＝14)，pi為第i個功能結構設計要素，wi為單個維修性定量設計要素的第i個樣本數據。
表5n個功能結構設計要素與單個維修性定量設計要素的關聯數據
構造樣本矩陣如下所示：
2)計算樣本矩陣每一列矩陣元素的平均值和標準差：
令：
得樣本矩陣的標準化矩陣：
3)計算相關係數矩陣如下：
4)利用相關係數矩陣即可求得其特徵值和每一個特徵值對應的特徵向量：
解|r-λi|＝0，得所有特徵值λ1,λ2,......,λm，再解rbj＝λjbj，得λj對應的特徵向量，將特徵向量單位化即
5)求出zi＝(zi1,zi2,......,zim)t的m個主成分分量：
得決策矩陣：
6)令l＝(l1,l2,......,ln)，li為第i個功能結構設計要素對應的權重係數。
7)確定主成分模型為：
構造綜合得分模型：
其中αi為第i個功能結構設計要素對單個維修性設計要素的重要度，其計算公式為：
對αi進行歸一化，最終求得第i個功能結構設計要素對單個維修性設計要素的重要度為ivi。
1.2樣本量收集較少
當收集樣本數量較少時，即n維修工具>空間約束>抓握接口>外部危險特徵>危險源>重量>尺寸＝輸出接口＝空間物理環境>警示接口>操作接口＝輸入接口>維修頻率，其中緊固接口、維修工具、空間約束、抓握接口和外部危險特徵是在進行機油箱設計時，需要著重考慮與權衡的功能結構設計要素。
1.2樣本量收集較少
當收集的樣本量較少，如表15所示。
表15機油箱功能結構設計要素與維修拆卸時間的關聯數據(樣本少)
其中，w1-w8分別是回收的8份機油箱「產品單元級功能結構與維修性定量設計要素關聯矩陣」中機油箱功能結構設計要素與維修拆卸時間的關聯關係。
根據表15，由於僅有8組定量關係數據，根據樣本量收集較少的評估模型，得到表16所示的機油箱各功能結構設計要素對維修拆卸時間的重要度
表16機油箱各功能結構設計要素對維修拆卸時間的重要度(樣本少)
根據上表畫出機油箱功能結構設計要素對維修拆卸時間的重要度柱形圖(樣本少)，如圖14所示。
得到對於機油箱維修拆卸時間來說，各功能結構設計要素重要度排序為：緊固接口>維修工具>空間約束>抓握接口>外部危險特徵>危險源>重量>尺寸＝輸出接口＝空間物理環境>警示接口>操作接口＝輸入接口>維修頻率，其中緊固接口、維修工具、空間約束、抓握接口和外部危險特徵是在進行機油箱設計時，需要著重考慮與權衡的功能結構設計要素。
1.3評估結果分析
案例分別通過不同的計算方法評估了多樣本量和少樣本量兩種不同情況下機油箱各個功能結構設計要素對維修性定量設計要素的重要度，並根據重要度進行排序。經過對比發現，兩種情況下所得到的結果幾乎相同，驗證了方法模型的有效性。所有的功能結構設計特徵中，緊固接口、維修工具、空間約束、抓握接口和外部危險特徵是在進行機油箱設計時，需要設計人員在進行設計工作時著重考慮與權衡的功能結構設計要素。
2.機油箱功能結構設計要素對總維修時間的重要度評估
通過評估機油箱單元級功能結構設計要素因素對各個維修性定量設計要素的重要度，可以得到機油箱單元級功能結構設計要素與維修性定量設計要素的重要度，數據如下表17所示。
表17機油箱單元級功能結構設計要素對維修性定量設計要素的重要度
在產品有相似產品數據時，推薦使用基於相似產品維修時間數據的評估方法，車輛機油箱各維修時間分解部分時間值如下表18所示。
表18機油箱相似產品維修性定量設計要素數據
通過計算，各維修性定量設計要素對總維修時間的貢獻度矩陣為：
r＝(0.16,0.08,0.2,0.28,0.2,0.08)
由此，得到各功能結構設計要素對總維修時間的重要度，如表19所示。
表19機油箱功能結構設計要素對總維修時間的重要度
根據上表可畫出機油箱單元級功能結構設計要素對維修性定量設計要素的重要度柱形圖，如圖15所示。
得到機油箱各功能結構設計要素根據對總維修時間重要度排序：維修工具>緊固接口＝空間約束>抓握接口>外部危險特徵>操作接口>危險源>空間物理環境>輸出接口>尺寸>輸入接口>重量>維修頻率>警示接口，其中維修工具、緊固接口、空間約束、抓握接口以及外部危險特徵相對來說，在機油箱維修性定量設計中應重點考慮。
根據機油箱相似產品維修數據進行重要度評估，得到機油箱各個功能結構設計要素對機油箱維修總時間的重要度，並根據重要度進行排序。得到結論：維修工具、緊固接口、空間約束、抓握接口以及外部危險特徵相對來說，在機油箱維修性定量設計中更加重要。
其中，步驟(3)具體包括以下步驟：
利用功能結構與維修性定量設計要素重要度評估方法，度量產品單元級功能結構與維修性定性設計要素的重要度，對功能結構設計要素進行重要度排序。具體包括：
1)度量單個功能結構設計要素對單個維修性定性設計要素的重要度；
2)計算單個功能結構設計要素對維修性定性總體設計要素的重要度。
1.機油箱單個功能結構設計要素對單個維修性定量設計要素的重要度評估
1.1樣本量收集較多
與評估機油箱單個功能結構設計要素對單個維修性定量設計要素的重要度類似，在針對維修性定量設計要素開展評估工作時，需要獲得機油箱「產品單元級功能結構與維修性定性設計要素關聯矩陣」的數據樣本作為評估原始數據。表20所示為機油箱單元級功能結構設計要素與可達性的關聯數據。
表.20機油箱功能結構設計要素與可達性的關聯數據(樣本多)
其中，w1-w14分別是回收的14份機油箱「產品單元級功能結構與維修性定性設計要素關聯矩陣」中機油箱功能結構設計要素與可達性因素的關聯關係。由此，運用樣本較多的模型評估重要度，結果如表21所示。
表21機油箱各功能結構設計要素對可達性的重要度(樣本多)
根據上表畫出機油箱單元級功能結構設計要素對可達性的重要度柱形圖(樣本多)，如圖16所示。
得到對於機油箱維修可達性來說，各功能結構設計要素重要度排序為：空間約束>操作接口>抓握接口>危險源>維修工具>緊固接口>外部危險特徵>尺寸>輸入接口＝輸出接口>維修頻率>重量>空間物理環境>警示接口，其中空間約束、操作接口、抓握接口、危險源和維修工具是在進行機油箱可達性設計時，需要著重考慮與權衡的功能結構設計要素。
1.2樣本量收集較少
當收集的樣本量較少時，如表22所示，採用針對樣本量少的評估方法，計算得到機油箱單元級各功能結構設計要素對可達性的重要度如表23所示。
表22機油箱功能結構設計要素與可達性的關聯數據(樣本少)
表23機油箱各功能結構設計要素對可達性的重要度(樣本少)
根據上表畫出機油箱單元級功能結構設計要素對可達性的重要度柱形圖(樣本少)，如圖17所示。
得到對於機油箱維修可達性來說，各功能結構設計要素重要度排序為：空間約束>操作接口>尺寸>抓握接口＝維修工具＝空間物理環境>危險源>緊固接口＝外部危險特徵>輸入接口＝輸出接口>重量＝警示接口>維修頻率，其中空間約束、操作接口、尺寸、抓握接口和維修工具是在進行機油箱可達性設計時，需要著重考慮與權衡的功能結構設計要素。
1.3評估結果分析
分別通過不同的計算方法評估了多樣本和少樣本兩種不同情況下，機油箱各個功能結構設計要素對維修可達性的重要度，並根據重要度進行排序。經過對比發現，兩種情況下所得到的結果基本相同，驗證了方法和模型的有效性。在所有的功能結構設計特徵中，空間約束、操作接口、抓握接口、維修工具和緊固接口相對來說，在機油箱維修性定性參數設計中更加重要。同時，分析兩種不同計算方法所得到的結果的差異，可能的原因是對於多樣本方法來說，相當數量的樣本數據收集是非常重要的。實際計算中，多樣本方法將剝離樣本之間重複的部分，其所利用到的樣本信息可能是普通少樣本方法所不具有的。因此，多樣本方法分析所得結果比少樣本方法所得結果更有可信性。
2.機油箱功能結構設計要素對維修性定性總體設計要素的重要度評估
通過評估機油箱功能結構設計要素因素對維修性各定性設計要素重要度，可以得到機油箱單元級功能結構設計要素對維修性定性設計要素的重要度數據，如下表25所示。
表25機油箱功能結構設計要素對維修性定性設計要素的重要度
各維修性定性設計要素對維修性定性總體設計要素的貢獻度矩陣為：
r＝(0.125,0.125,0.125,0.125,0.125,0.125,0.125,0.125,)
根據上述方法，可計算得到機油箱各功能結構設計要素對維修性定性總體設計要素的重要度，如下表26所示。
表26機油箱各功能結構設計要素對維修性定性總體設計要素的重要度
根據上表畫出機油箱功能結構設計要素對維修性定性總體設計要素的重要度柱形圖，如圖18所示。
得到機油箱各功能結構設計要素根據對維修性定性整體重要度大小排序：輸入接口>輸出接口>操作接口>維修工具>抓握接口>危險源>空間約束>警示接口>尺寸>緊固接口＝維修頻率>外部危險特徵>重量>空間物理環境，其中輸入接口、輸出接口、操作接口、維修工具和抓握接口相對來說，在機油箱維修性設計中應重點考慮。
基於機油箱八個維修性定性設計要素貢獻度相同情況下，進行了重要度評估，得到機油箱各個功能結構設計要素對維修性定性總體設計要素的重要度，並根據重要度進行排序。得到結論：輸入接口、輸出接口、操作接口、維修工具和抓握接口相對來說，在機油箱維修性設計中更加重要。
步驟(4)、利用產品系統級功能結構與維修性設計要素評估方法，度量產品系統級功能結構與維修性設計要素的重要度，對功能結構設計要素進行重要度排序。系統級考慮的維修性評價指標主要包括一次可達率，一次可達度，一次可檢測率，重量舒適率，系統免調率和系統平均管路折度。
3.機油箱系統級功能結構與維修性設計要素的重要度評估
此部分的評估工作需要具體的設計數據，且評估模型簡便易操作。因此，不再一一贅述，具體方法與評估方法參考步驟(4)。