一种可靠性虚拟实验教学系统与方法

技术领域

本发明涉及面向可靠性实验教学技术领域，具体为一种可靠性虚拟实验教学系统与方法。

背景技术

产品的可靠性测试一般包括可靠性筛选试验、可靠性验收试验、可靠性鉴定试验、可靠性增长试验等试验种类，也可以分为常规应力可靠性试验和可靠性加速寿命试验两种。可靠性测试是产品设计和制造环节质量保障的有效手段，尤其被机电或电子产品设计制造类企业普遍采用，具有极广泛的应用性，相关国家标准和行业标准众多。

在职业技术类院校或普通本科类院校的机械设计制造及其自动化、质量管理工程、工业工程、机械电子工程等专业普遍开设有可靠性工程技术类课程，并设置了可靠性实验教学内容，以使学生学以致用；此外，部分产品质量领域的社会培训机构也开展了相关内容的培训教学。

综上所述，现有技术存在的问题是：

问题1：无论哪种可靠性测试，其基本过程为抽选一定数量的被试产品或零部件(样品)——施加应力——统计被试样品失效情况——对失效数据进行分析处理，得出结论。这一过程中，有如下几个特点：

(1)环境应力的施加需要模拟产品或零部件在实际工作所承受的各种应力，需要应力施加装置，应力大小和施加方式要可控，因此，应力施加装置结构复杂；

(2)被试产品或零部件一般都有损毁或性能下降问题，即可靠性测试常伴随着破坏性试验，很多情况下甚至要求被试样品必须功能丧失或性能下降，试验方可停止，因此试验经济成本高，试验时间很长，可靠性测试时间常动辄数周或数十小时，甚至以月计，时间成本极高；

(3)可靠性测试需要及时观测被试样品的功能或性能变化，常需检测设备实时监测，而有时，并不能满足实时监测的环境条件，导致样品失效数据统计不准确，实验结果分析出现误差。

问题2：企业或学校为了提高人员的可靠性技术素养，需要进行可靠性技术教学或培训，但因为经济成本和时间成本太大，难以有效开展可靠性测试实验教学。

基于此，本发明设计了一种可靠性虚拟实验教学系统与方法，以解决上述提到的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可靠性虚拟实验教学系统与方法，能完全仿真样品的实际工况，或提供各种虚拟应力加载，并模拟出样品的失效情况。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种可靠性虚拟实验教学系统与方法，根据教师下达的可靠性实验教学任务，通过WEB客户端或PC、IPAD、手机等单机，在虚拟实验场景中完成虚拟实验，实验系统能模拟出实验过程，获得模拟的实验数据，并根据这些实验数据，按可靠性实验数据处理规范进行数据统计分析，从而获得实验结果，最后据此撰写实验报告，具体方法包括如下步骤：

S1：虚拟实验环境的创建：

采用三维建模软件构建虚拟实验室房间和实验设备，而后导入动画制作软件创建实验动画，并采用编程软件编写控制脚本，建立虚拟可交互、经表面贴图渲染的逼真虚拟实验环境；

S2：虚拟实验数据的获取：

获取实验对象抽样、应力加载、实验方案确定、样品失效数及失效时间的可靠性实验数据，通过虚拟实验环境的人机交互，按不同的可靠性实验要求，或按相关实验国家标准，确定实验对象台套数，并从虚拟的实验室产品库随机抽取实验对象样品；

S3：实验数据的处理：

根据选定的实验方案，将所述样品失效数及失效时间代入可靠性数据处理公式中，计算出实验结果，这些结果包括：失效概率密度函数和可靠性特征量；

S4：实验效果评价：

对实验过程首先进行量化评价；

S5：教师教学指导：

将所述学系统和方法做成视频格式，作为实验指导书，教师教学时，预先让学生观看视频，了解实验过程；实验系统构建帮助文档，学生边实验边查询；教师下达实验任务时，预先设定实验对象、参照的实验标准、产品的失效概率分布函数及特征量。

优选的，所述三维建模软件包括Pro E、Solidworks、3DMAX、UG、Rhino和CATIA三维建模软件。

优选的，所述动画制作软件包括3D unity、Unreal Engin、Cult3D、Maya软件。

优选的，所述编程软件包括C#、python、VRML或Java。

优选的，所述S2具体包括：

S2.1：应力加载，首先确定应力种类，包括振动、温度、湿度、电冲击、盐雾腐蚀，按实验要求选定种类；然后，确定应力加载方式，包括线性加载、恒定应力加载和步进应力加载，选定应力种类和应力加载方式，在虚拟实验室通过人机交互实现，选定后通过动画方式展示实验加载过程；

S2.2：实验方案，指可靠性实验结束条件，包括定时截尾实验、定数截尾实验、序贯实验、加速实验，通过人机交互选择，并按可靠性实验规程设定何时结束实验；

S2.3：实验前，实验指导教师人为设定产品的可靠性概率分布及相关可靠性特征量，包括假定实验样品服从分布，所述分布包括正态分布、威布尔分布和指数分布；

S2.4：实验过程中，产品失效数和失效时间可以按选定的概率分布随机产生，由实验环境中脚本程序实现，获得失效数及其失效时间。

优选的，所述S3中，可靠性特征量包括可靠度、失效率、平均寿命。

优选的，所述S4中，对实验过程首先进行量化评价，具体包括：实验抽样、应力选择、实验方案确定是否合理，在人机交互过程中，给出选择步骤分；对实验数据处理的结果，与实验指导教师预先给出的实验样品概率分布和可靠性特征量进行比对，评判学生实验数据处理是否正确，给出计算过程量化分步骤量化分；以上两部分的加权求和，可获得学生实验过程总成绩；实验系统可构建实验思考题库，实验结束后，随机抽取题库中的思考题，学生虚拟实验环境中答题，给出答题成绩分。

优选的，所述实验教学系统包括

虚拟实验环境创建模块，用于采用三维建模软件构建虚拟实验室房间和实验设备，而后导入动画制作软件创建实验动画，并采用编程软件编写控制脚本，建立虚拟可交互、经表面贴图渲染的逼真虚拟实验环境；

虚拟实验数据获取模块，用于获取实验对象抽样、应力加载、实验方案确定、样品失效数及失效时间的可靠性实验数据，通过虚拟实验环境的人机交互，按不同的可靠性实验要求，或按相关实验国家标准，确定实验对象台套数，并从虚拟的实验室产品库随机抽取实验对象样品；

实验数据处理模块，用于根据选定的实验方案，将所述样品失效数及失效时间代入可靠性数据处理公式中，计算出实验结果，这些结果包括：失效概率密度函数和可靠性特征量；

实验效果评价模块，用于对实验过程首先进行量化评价；

教师教学指导模块，用于将所述学系统和方法做成视频格式，作为实验指导书，教师教学时，预先让学生观看视频，了解实验过程；实验系统构建帮助文档，学生边实验边查询；教师下达实验任务时，预先设定实验对象、参照的实验标准、产品的失效概率分布函数及特征量。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供一个可靠性实验学习平台，让学生从可靠性实验过程到可靠性实验数据处理，有一个完整的训练。实验过程通过电脑模拟进行，因此试验成本极低，基本零成本；可以实现试验过程中在线监测，准确统计样品失效数据；对可靠性测试实验教学，本发明的实验系统和方法可以模拟实验结束时间和失效数，加快产品失效过程，保证在一节课(45分钟)内完成任何复杂的可靠性试验，从而满足实验教学要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种可靠性虚拟实验教学系统与方法，具体方法包括如下步骤：

S1：虚拟实验环境的创建：

采用Pro E、Solid works、3DMAX、UG、Rhino和CATIA等三维建模软件构建虚拟实验室房间和实验设备，而后导入3D unity、Unreal Engin、Cult3D、Maya等动画制作软件创建实验动画，并采用C#、python、VRML或Java等编程软件编写控制脚本，建立虚拟可交互、经表面贴图渲染的逼真虚拟实验环境；

S2：虚拟实验数据的获取：

获取实验对象抽样、应力加载、实验方案确定、样品失效数及失效时间的可靠性实验数据，通过虚拟实验环境的人机交互，按不同的可靠性实验要求，或按相关实验国家标准，确定实验对象台套数，并从虚拟的实验室产品库随机抽取实验对象样品；

S2.1：应力加载，首先确定应力种类，包括振动、温度、湿度、电冲击、盐雾腐蚀，按实验要求选定种类；然后，确定应力加载方式，包括线性加载、恒定应力加载和步进应力加载，选定应力种类和应力加载方式，在虚拟实验室通过人机交互实现，选定后通过动画方式展示实验加载过程；

S2.2：实验方案，指可靠性实验结束条件，包括定时截尾实验、定数截尾实验、序贯实验、加速实验，通过人机交互选择，并按可靠性实验规程设定何时结束实验；

S2.3：实验前，实验指导教师人为设定产品的可靠性概率分布及相关可靠性特征量，包括假定实验样品服从分布，所述分布包括正态分布、威布尔分布和指数分布；

S2.4：实验过程中，产品失效数和失效时间可以按选定的概率分布随机产生，由实验环境中脚本程序实现，获得失效数及其失效时间。

S3：实验数据的处理：

根据选定的实验方案，将所述样品失效数及失效时间代入可靠性数据处理公式中，计算出实验结果，这些结果包括：失效概率密度函数和可靠性特征量；

S4：实验效果评价：

对实验过程首先进行量化评价；

具体包括：实验抽样、应力选择、实验方案确定是否合理，在人机交互过程中，给出选择步骤分；对实验数据处理的结果，与实验指导教师预先给出的实验样品概率分布和可靠性特征量进行比对，评判学生实验数据处理是否正确，给出计算过程量化分步骤量化分；以上两部分的加权求和，可获得学生实验过程总成绩；实验系统可构建实验思考题库，实验结束后，随机抽取题库中的思考题，学生虚拟实验环境中答题，给出答题成绩分。

S5：教师教学指导：

将所述学系统和方法做成视频格式，作为实验指导书，教师教学时，预先让学生观看视频，了解实验过程；实验系统构建帮助文档，学生边实验边查询；教师下达实验任务时，预先设定实验对象、参照的实验标准、产品的失效概率分布函数及特征量。

实施例2

本发明还提供了实验教学系统，包括

虚拟实验环境创建模块，用于采用三维建模软件构建虚拟实验室房间和实验设备，而后导入动画制作软件创建实验动画，并采用编程软件编写控制脚本，建立虚拟可交互、经表面贴图渲染的逼真虚拟实验环境；

虚拟实验数据获取模块，用于获取实验对象抽样、应力加载、实验方案确定、样品失效数及失效时间的可靠性实验数据，通过虚拟实验环境的人机交互，按不同的可靠性实验要求，或按相关实验国家标准，确定实验对象台套数，并从虚拟的实验室产品库随机抽取实验对象样品；

实验数据处理模块，用于根据选定的实验方案，将所述样品失效数及失效时间代入可靠性数据处理公式中，计算出实验结果，这些结果包括：失效概率密度函数和可靠性特征量；

实验效果评价模块，用于对实验过程首先进行量化评价；

教师教学指导模块，用于将所述学系统和方法做成视频格式，作为实验指导书，教师教学时，预先让学生观看视频，了解实验过程；实验系统构建帮助文档，学生边实验边查询；教师下达实验任务时，预先设定实验对象、参照的实验标准、产品的失效概率分布函数及特征量。

实施例3

电能表的可靠性测试实验教学，

以电能表的可靠性测试实验教学为例，基于可靠性虚拟测试系统，设计如下教学方法：

教师首先设置失效概率分布函数，然后，学生按如下步骤操作：

①实验准备阶段

步骤1：点击实验开始，了解实验目的

步骤2：点击实验认知，认识实验设备和被试电能表、了解实验内容,并可观看实验教学视频，熟悉实验过程。

②实验操作阶段

步骤3：点选电能表可靠性测试实验，进入相应实验界面

步骤4：点选定数结尾试验，确定截尾数

步骤5：输入被试电能表台数，并随机抽选被测电能表

步骤6：设计加载应力剖面

步骤7：将被试电能表移入高低温实验箱，并通电，使电能表处于工作状态

步骤8：按任务剖面，施加温度和电冲击应力

步骤9：监测、记录电能表读数

步骤10：计算电能表重复性误差

步骤11：判定并记录失效和性能衰退电能表台数

步骤12：点选定时结尾试验，确定定时数

步骤13：输入被试电能表台数，并随机抽选被测电能表

步骤14：将被试电能表移入高低温实验箱，并通电，使电能表处于工作状态

步骤15：按任务剖面，施加温度和电冲击应力

步骤16：监测、记录电能表读数

步骤17：计算电能表重复性误差

步骤18：判定并记录失效和性能衰退电能表台数

步骤19：点选电能表可靠性加速寿命试验

步骤20：输入被试电能表台数，并随机抽选被测电能表

步骤21：点选加速方程

步骤22：设计加载应力剖面

步骤23：将被试电能表移入高低温实验箱，并通电，使电能表处于工作状态

步骤24：按任务剖面，施加温度和电冲击应力

步骤25：监测、记录电能表读数

步骤26：计算电能表重复性误差

步骤27：判定并记录失效和性能衰退电能表台数

③实验数据分析处理阶段

步骤28：针对定数结尾，点选失效概率分布函数

步骤29：概率分布函数及其参数进行假设性检验

步骤30：计算可靠性特征量

步骤31：针对定时结尾，点选失效概率分布函数

步骤32：概率分布函数及其参数进行假设性检验

步骤33：计算可靠性特征量

步骤34：根据加速方程，换算失效数和性能衰退电能表台数

步骤35：针对加速寿命试验，点选失效概率分布函数

步骤36：概率分布函数及其参数进行假设性检验

步骤37：计算可靠性特征量

步骤38：撰写实验报告，教师根据设定的失效概率分布函数验证实验效果，结合学生的实验过程给出实验成绩。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。