基于边界图和Ｐ图的FMEA分析方法研究与实践【FMEA软件】

传统的FMEA重点识别产品所有可能产生的故障模式及其对产品的所有可能影响，没有解决在分析产品发生故障时故障机理这个关键问题。为了解决这一问题，在FMEA分析过程中引入了边界图和Ｐ 图，形成一种系统可行的可靠性分析方法，使得分析方法更为注重故障机理的研究，有助于寻找潜在故障的根本原因，可以更为有效地控制产品的故障风险。利用该可靠性分析方法对某总线控制器进行分析，有效识别了总线控制器的故障原因和机理，并采取针对性的管控措施，从根本上控制了产品的故障风险，确保了产品的可靠性。

边界图和Ｐ图边界图是证明和阐述系统间关系的一种工具，图1所示的边界图结构，说明了子系统、组件和系统部件之间的关系。

P图是一种结构工具，典型的P图如图2所示。

其中输入信号是指分析对象运行所需的基本条件；理想功能是指分析对象需要完成的功能，反映了产品的设计意图或功能需求；错误状态是指与预期功能的偏差或非预期的分析对象的输出；干扰因子是指能够导致分析对象功能失效的非预期的因素；控制因子是指设计过程中所有因素的集合，其目的是减少错误状态的发生。边界图-P图_SunFMEA

基于FMEA 的实施过程，结合辅助工具边界图、P 图，提出了一种系统可行的可靠性分析方法，如图3所示。首先进行系统定义确定分析对象，描述产品任务，对产品在不同任务剖面下的主要功能、工作方式（如连续工作、间歇工作或不工作等）、接口和工作时间等进行分析建立系统的功能框图、可靠性框图、边界图、P 图。

在设计前期，边界图只是系统层描述主要功能和它们相互关系的框图；在设计成熟期，边界图可能被修改，或者扩展以说明更低一层细节，直到部件级。

在构建P图的过程中，一旦输入和输出确定具体功能，错误状态也随之确定，并从以下5个方面考虑干扰因子：

1）个体差异：材料的选择，生产工艺水平，运输保护措施等；

2）随时间变化：如元器件随时间发生的变化；

3）顾客使用：操作人员的误操作等；

4）系统干涉：根据分析对象在系统中的位置，与哪些周围零部件发生系统干涉，受到系统内部、系统外部哪些因素的影响；

5）外部环境：载荷大小的变化、温度、湿度、振动、冲击等。

故障机理分析是该可靠性分析方法分析工作的核心，也是与传统FMEA 的区别所在。分析步骤分为3步：

1）故障原因分析；

2）根据故障原因寻找故障机理；

3）根据故障机理确定故障的发生条件和发生过程，找到故障的根本原因。

当故障机理确定后，按FMEA分析流程识别故障监测方法、制定设计改进措施及使用补偿措施，形成分析报告。基于边界图和P图的FMEA分析方法_SunFMEA

电源模块直接决定着总线控制器的工作，也是电气产品的通用模块，选取该模块为示例，采用基于边界图和Ｐ图的FMEA 分析方法进行分析。

G2为电源核心器件，为处理器及其外围电路供电，最大输出电流3A。

2.1.1.电源模块组成及框图

1）电源模块电路组成及其功能如表1所示。电源模块电路组成及其功能

2）电源模块功能及其结构层次对应图如图4所示。

电源模块功能及其结构层次对应图

3）电源模块的可靠性框图如图5所示。

电源模块的可靠性框图

2.1.2. 电源模块边界图

电源模块的边界图如图6所示。

电源模块的边界图

2.1.3.电源模块P图

电源模块的P图如图7所示。

电源模块的P图如

根据电源模块的边界图和P 图，由功能丧失、功能降低和非预期状态3个方面的故障模式，并从故障对系统所产生的影响去考虑故障影响，提炼出电源模块的故障模式和故障影响，如表2所示。

电源模块的故障模式和故障影响

该次研究主要起到示例作用因此只对故障影响比较严重的“电源无输出”故障模式进行分析。基于干扰因子，分析识别电源模块无输出的故障原因和机理，分析如下：

1）个体差异

电容电介质材料存在疵点或缺陷，以及电介质在电容器制造过程中受到机械损伤均会造成电容短路击穿；电感线圈材料线径不均匀导致线圈烧断；加工时触点引线粘附不牢，外引线焊接用的金属涂敷面积太小都会引起引线折断，二极管开路。

2）系统干涉

电容两端所加电压过载导致电极开路；电容漏电流过高导致介质击穿，电容短路；过载也会导致G1 烧毁。

3）随时间变化

电容电介质的电老化与热老化、电介质内部的电化学反应，以及电介质分子结构的改变造成电容短路击穿；引出线与电极接触表面氧化、引出线与电极接触不良以及电解电容器阳极引出箔腐蚀断裂均会造成电容开路；机械应力作用也会造成电容短路或开路；电感随时间改变发生电蚀作用使得电感开路，电蚀、电迁移和电扩散也会造成电感短路；电迁移作用使得二极管开路，电扩散、老化等作用使得二极管发生短路；G1、G2、G3 由于过电应力、静电应力、电迁移、应力迁移、腐蚀、机械应力、热变应力、介质击穿、水汽、金属迁移、离子导电、疲劳等作用导致电路短路、开路或功能失效。

4）外部环境

电容在恶劣使用条件下导致电极开路；高湿度或低气压环境中造成极间飞弧使得电容短路，潮湿环境也使得腐蚀加速导致电容短路；环境应力和机械应力导致电感开路，环境应力特别恶劣时会导致电感短路。

“电源无输出”的故障原因和机理详见表3。

故障原因和机理

严酷度类别及定义见表4。

严酷度类别及定义

根据电源模块的故障模式、影响、原因和机理分析，结合控制因子，确定故障检测方法，制定设计改进/使用补偿措施，填写电源模块的可靠性分析表，如表5所示。

电源模块的可靠性分析表

可靠性是设计出来的，只有透析导致产品故障发生的物理、化学过程，才能找到造成产品可靠性降低的根源，才能有针对性地采取改进措施，从根本上提高产品的可靠性。基于边界图和Ｐ图的FMEA分析方法在传统FMEA分析的基础上，使得设计人员将故障原因的研究推进到机理层次，任何因素都不会忽视，为产品的可靠性分析提供一种新的技术途径和方法，实现产品可靠性设计目标。

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