FMEA与FTA基本原理

一、概述

汽车是机、电、液、气一体化的复杂产品，其可靠性分析方法见下图。由图可见，故障模式和影响分析(FMEA)，与故障模式、影响和致命度分析(FMECA)常用于产品可靠性分析中的定性分析，而故障树分析(FTA)和布尔理论(G·Boole Theery)与马尔可夫理论(Markov Theory)多用于可靠性分析中的定量分析。在工程实践中，常常将他们结合起来应用，这样便于发挥它门各自的优点，互为补充，可以收到事半功倍的显著效益。本章主要介绍定性分析方法和定量分析方法中两种比较典型的方法，即FMEA方法和FTA方法，FMECA同FMEA方法类似，在这里仅作简单阐述。 

 二、FMEA方法

1、FMEA背景及应用

FMEA(Failure Mode and Effects Analysis)即故障模式及影响分析也称为失效分析，是工程应用中最常用的可靠性分析方法之一。它是在产品设计和加工过程中分析各种潜在的故障对其可靠性的影响，用以提高产品可靠性的一门分析技术，它以产品的元件、零件或系统为分析对象，通过人员的逻辑思维分析，预测结构元件或零件生产装配中可能发生的问题及潜在的故障，研究问题及故障的原因，以及对产品质量影响的严重程度，提出可能采取的预防改进措施，以提高产品质量和可靠性。
20世纪50年代初，美国格鲁门飞机公司在研制飞机主操纵系统时就采用FMEA方法，取得了良好的效果。到了60年代后期和70年代初期，FMEA方法开始广泛地应用于航空、航天、舰船、兵器等军用系统的研制中，现在已普及到机械、电子、医疗设备等民用产品，特别是汽车产品上，并且取得了显著 的效果。FMEA方法经过长时间的发展与完善，已获得广泛的应用与认可，成为在系统的研制过程中必须完成的一项可靠性分析工作。

2、典型FMEA标准与规范

随着FMEA技术的推广和发展，各个国家、各个行业纷纷推出了FMEA要求和方法，并形成标准、规范或手册，其中比较著名的见下表。 

 众多标准、规范和手册描述的FMEA主要分为军工标准和汽车行业标准两大类，军工标准以美国的M1L-STD-1629A为代表，中国的军标GJB 1391-92与其极为相似；汽车行业的FMEA标准以QS 9000参考手册中描述的规范为代表，其它规范或手册规定的方法与其基本相同，2002年颁布的全球统一的汽车质量体系标准ISO／TSl6949技术规范中的FMEA标准也是来源于此。

3、FMEA适用范围及分类

从下表可以看出，FMEA的应用范围涉及产品生命周期的各个阶段。 在产品生命周期的各个阶段内，虽然FMEA的应用目的和应用方法略有不同，但其根本目的只有一个，即从设计、生产和使用等角度发现产品的各种缺陷与薄弱环节，从而提高其可靠性水平。 

在汽车产品的开发过程中，FMEA技术主要应用于产品的设计阶段和制造阶段，故有设计FMEA(即DFMEA)与过程FMEA(即PFMEA)之分。此外，在汽车产品的策划、使用、维护等各阶段，FMEA技术同样可以应用。

4、FMEA分析过程

进行系统的FMEA一般按下图所示的步骤进行。 

(1)明确分析范围

根据系统的复杂程度、重要程度、技术成熟性、分析工作的进度和费用约束等，确定进行FMEA的产品范围。

(2)系统任务分析

描述系统的任务要求及系统在完成各种任务时所处的环境条件。系统的任务分析结果一般用任务剖面来描述。 

(3)系统功能分析

分析明确系统中的产品在完成不同的任务时所应具备的功能、工作方式及工作时间等。

(4)确定失效判据

制订与分析判断系统及系统中产品正常与失效的准则。

(5)选择FMEA方法

根据分析的目的和系统的研制阶段，选择相应的FMEA方法，制定FMEA的实施步骤及实施规范。

(6)实施FMEA分柝

FMEA包括失效模式分析、失效原因分析、失效影响分析、失效检测方法分析与补偿措施分析等步骤。

失效模式分析是找出系统中每一产品(或功能、生产要素、工艺流程、生产设备等)所有可能出现的失效模式；失效原因分析是找出每一个失效模式产生的原因；失效影响分析是找出系统中每一产品(或功能、生产要素、工艺流程、生产设备等)每一可能的失效模式所产生的影响，并按这些影响的严重程度进行分类；失效检测方法分析是分析每一种失效模式是否存在特定的发现该失效模式的检测方法，从而为系统的失效检测与隔离设计提供依据；补偿措施分析是针对失效影响严重的失效模式，提出设计改进和使用补偿的措施。

(7)给出FMEA结论

根据失效模式影响分析的结果，找出系统中的缺陷和薄弱环节，并制定和实施各种改进与控制措施，以提高产品(或功能、生产要素、工艺流程、生产设备等)的可靠性(或有效性、合理性等)。

5、实施FMEA目的和意义

现代质量管理研究表明，产品质量首先是设计出来的，其次是生产出来的，而不是检测出来的。使用FMEA，能在设计或制造阶段发现产品设计的不足或存在的隐患，然后及时采取措施克服。

FMEA是一组系统化的相互作用的过程，其目的有：

(1)发现、评价产品／过程中潜在的失效及其结果；

(2)确定与产品有关的过程潜在失效模式；

(3)评价失效对顾客的潜在影响；

(4)确定潜在设计或制造过程的失效起因，确定减少失效发生或找出失效条件的过程控制变量；

(5)编制潜在失效模式分级表，然后建立考虑措施的优选体系；

(6)减轻缺陷的严重性，因此必须对零件的结构设计作更改；

(7)在缺陷到达用户手中之前或者产品出厂前提高发现缺陷的概率。 

所有的FMEA分析最后都要求制作FMEA分析表，它是FMEA分析结果的书面总结。因而FMEA分析为设计部门、生产规划部门、生产部门、质保部门等有关技术部门提供了共享的信息资源：另一方面，FMEA为以后同类产品的设计提供了资料。

6、FMEA应用时机和注意事项

时间性是成功实旋FMEA最重要因素之一，它是一个“事前行为”，而不是“事后练习”。为达到最佳效益，FMEA的应用一定要注意时机，它必须在产品或过程的设计和开发完成之前进行和完成。

在实施FMEA的过程中，应注意以下问题；

(1)FMEA工作应与产品的设计同步进行，尤其应在设计的早期阶段就开始进行FMEA，这将有助于及时发现设计中的薄弱环节并为安排改进措施的先后顺序提供依据。

(2)对产品研制的不同阶段，应进行不同程度、不同层次的FMEA。也就是说，FMEA应及时反映设计、工艺上的变化，并随着研制阶段的展开而不断补充、完善和反复迭代。

(3)FMEA工作应由设计人员负责完成，贯彻“谁设计、谁分析”的原则，这是因为设计人员对自己设计的产品最了解。

(4)FMEA分析中应加强规范化工作，以保证产品FMEA的分析结果具有可比性。开始分析复杂系统前，应统一制定FMEA的规范要求，结合系统特点，对FMEA中的分析约定层次、失效判据、严酷度与危害度定义、分析表格、失效率数据源和分析报告要求等均应作统一规定及必要说明。

(5)应对FMEA的结果进行跟踪与分析，以验证其正确性和改进措施的有效性。这种跟踪分析的过程，也是逐步积累FMEA工程经验的过程。一套完整的FMEA资料，是各方面经验的总结，是宝贵的工程财富，应当不断积累并归档，以备查考。

(6)FMEA虽然是有效的分析方法，但并非万能。它不能代替其它的可靠性分析工作。应该特别注意，FMEA一般是静态的单一因素分析法，在动态分析方面还不完善，若对系统实施全面的分析还应与其他分析方法相结合。

三、FMECA方法

FMECA是“Failure Mode，Effects and Criticality Analysis”的缩写，即故障模式、影响和致命度分析。该方法是在FMEA分析工作的基础上增加了危害性分析，即FMECA=FMEA+CA(致命度分析)。FMECA一般应在设计的初期阶段开始进行，这将有助于对设计的评审和为安排改进措施的先后顺序提供依据。由于FMECA和FMEA的方法、步骤基本相同，这里就不再重述，只重点阐述CA分析方法。

危害性分析是对FMEA的补充和扩展，其目的是按每一故障模式的严酷度类别及故障模式的发生概率所产生的影响对其划等分类，以便全面地评价各种可能出现的故障模式影响。

危害性分析分为定性分析和定量分析两种。在不能获得产品技术状态数据或故障率数据的情况下，则只能进行定性分析；如能获得上述数据，则最好进行定量计算。

定性分析就是将故障模式的发生概率按相关规定分成不同的等级，如：

A级（经常发生）：而产品工作期间内某一故障模式的发生概率大于产品在该期间内故障概率的20%；

B级（有时发生）：产品工作期间内某一故障模式的发生概率大于产品在该期间内故障概率的10%，但小于20%；

C级（偶然发生）：产品工作期间内某一故障模式发生的概率大于产品在该期间内故障概率的1%，但小于10%；

D级（很少发生）：产品工作期间内某一故障模式发生的概率大于产品在该期间内故障概率的0.1%，但小于1%；

E级（极少发生）：产品工作期间内某一故障模式的发生概率小于产品在该期间内故障概率的0.1%。 

四、故障树分析(FTA)方法

1、FTA概述

故障树分析-FTA(Fault Tree Analysis)是60年代发展起来的用于大系统可靠性、安全性分析和风险评价的一种方法。它主要是针对各种复杂系统在方案与初样设计阶段进行可靠性安全性分析，用于系统的故障分析、预测和诊断，找出系统的薄弱环节，以便在设计、制造和使用中采取相应的改进措施。

在故障树分析中，对于所研究系统的各种故障状态或不正常情况被称为故障事件，完好状态或正常情况皆称为成功事件，两者均简称为事件。故障树分析中所关心事件称为顶事件，它是故障树分析的目标，位于故障树的顶端。仅导致其他事件发生事件称为底事件，它是可能导致顶事件发生的基本原因，位于故障树的底端。位于各底事件与顶事件之间的中间结果事件称为中间事件。用各种事件的代表符号和描述事件因果关系的逻辑门符号组成的倒立树状逻辑因果关系树称为故障树。

故障树分析法就是在系统设计过程中，通过对可能造成系统故障的各种因素(包括硬件、软件、环境、人为因素等)进行分析，画出逻辑框图(即故障树)，从而确定系统故障原因的各种可能的组合方式及其发生概率，以计算系统故障概率，采取相应的纠正措施，以提高系统可靠性。故障树分析法的步骤，通常因评价对象分析目的、精细程度等的不同而异，但一般主要有以下三个步骤：故障树的建立、定性分析、定量计算。故障树分析法的具体内容如下：

(1)对所选定的系统作必要的分析，确切了解系统的组成及各项操作的内容，熟悉其正常的作业图；

(2)对系统的故障进行定义，对预计可能发生的故障、过去发生过的故障事例作广泛的调查；

(3)仔细分析各种故障的形成原因，如设计、制造、装配、运行、环境条件、人为因素等；

(4)收集各故障发生的概率数据；

(5)选定系统可能发生的最不希望发生的故障状态作为顶事件，画出故障逻辑图；

(6)对敌障树作定性分析，确定系统的故障模式；

(7)对故障树进行定量计算，计算出顶事件发生概率、各底事件的结构重要度、概率重要度、关键重要度等可靠性指标。

2、故障树分析的特点

归纳起来故障树分析有以下10个特点：

(1)故障树分析是一种图形演绎法。是故障事件在一定条件下的逻辑推理方法。它不局限于对系统作一般的可靠性分析，它可以围绕一个或一些特定的失效状态，作层层追踪分析。因而，在清晰的故障树图形下，表达了系统故障事件的内在联系，并指出了单元故障与系统故障之间的逻辑关系；

(2)由于故障树能把系统故障的各种可能因素联系起来，因此，有利于提高系统的可靠性，找出系统的薄弱环节和系统的故障谱；

(3)故障树可以作为管理人员及维修人员的一个形象的管理、维修指南，因此，用来培训长期使用大型复杂系统的人员更有意义；

(4)通过故障树可以定量的求出复杂系统的失效概率和其他可靠性特征量，为改进和评估系统的可靠性提供定量数据；

(5)故障树分析的发展与电子计算机技术的发展紧密相联，图像信息技术 也已经应用在故障树分析中，因此，编制计算程序是故障树分析中不可缺少的一部分；

(6)故障树分析的理论基础，除概率论和数理统计外，布尔代数及可靠性数学中用到的数学基础同样应用于故障村分析的定量分析中；

(7)故障树分析方法不仅应用于解决工程技术问题，而且开始应用于经济管理的系统工程之中；

(8)故障树分析首先需要建树，建树过程复杂，需要经验丰富的工程技术人员、操作及维修人员参加，而且不同的人所建造的故障树不会完全相同；

(9)系统越复杂，建树越困难，耗时越长；

(10)数据收集困难。

3、故障树定性分析

首先介绍两个定义，即割集和路集的概念。设故障树中有n个底事件x1，x2……，C={xi，…，xl}为某些底事件的集合，当其中全部底事件都发生时，顶事件必然发生，则称C为故障树的一个割集。若C是一个割集，而任意去掉其中一个底事件后就不是割集了，这样的割集称为最小割集。

从顶事件不发生角度出发，可引入路集的概念。设D={xi，…，xm}为某些底事件的集合，当D中全部底事件都不发生时，顶事件才不发生，则称D为路集。若D为一个路集，而任意去掉其中某一个底事件后，D就不再是路集了，这样的路集称为最小路集。

故障树定性分析的主要目的是为了找出导致顶事件发生的所有可能的故障模式，也即弄清楚系统出现某种最不希望发生的事件有多少种可能性，即是寻找故障树的全部最小割集，寻找顶事件发生的原因和原因组合，识别导致顶事件发生的所有故障模式，它可以帮助判别潜在的故障，对设计加以改进，还可以用于指导故障诊断，改进设备运行和维修方案。

一般来说，一个故障树中最小割集和最小路集都不只有一个。找最小割集（或路集）是非常重要的，它可以使人们发现系统的薄弱环节，以便有目标、有针对性的进行改进设计，以合理地提高系统可靠性水平。故障树定性分析就是为了求最小割集或路集。

通常有两种方法来求最小割集：下行法和上行法。

下行法是根据故障树的实际结构，从顶事件开始，逐级向下寻查，找出割集。下行法的求解思路如下：

只就故障树结构的上下相邻两级来看，与门只增加割集阶数(割集所含底事件数目)，不增加割集个数；或门只增加割集个数，不增加割集阶数。在从顶事件的下行的过程中，顺次将逻辑门的输出事件置换成输入事件。遇到与门就将其输入事件排在同一行，遇到或门就将其输入事件各自排成一行，这样直到全部换成底事件为止，即可求得全部割集。将得到的全部割集两两比较，去掉那些非最小割集，剩下的即为故障树的全部最小割集。 

如上图所示的故障树，用下行法求解最小割集，在求得全部割集之后，将其两两比较即可从中筛选出最小割集。 

上行法是从底事件开始，自下而上逐步地进行事件集合运算，将或门输出事件表示为输入事件的并（布尔和），将与门输出事件表示为输入事件的交（布尔积）。这样向上层层代入，在逐步代入过程中，按照布尔代数吸收律和等幂律来化简，将顶事件表示成底事件积之和的最简式。其中每一积项对应于故障树的一个最小割集，全部积项即是故障树的全部最小割集。

4、故障树定量计算

重要度分析是FTA定量分析中的重要组成部分，它用于分析系统的薄弱环节，重要度是指一个部件或者系统的割集发生时(底事件)对顶事件发生概率的贡献，它是时间，底事件发生概率以及故障树结构的函数，重要度分析类似于灵敏度分析，在系统的设计，诊断和优化方面都很有用。 

5、本章小结

本章主要探讨了产品可靠性分析技术中两种比较典型的方法，即FMEA方法(定性分析)和FTA方法(定量分析)。较为详细介绍了FMEA方法的历史背景、适用范围、分析步骤、实施FMEA的目的、意义以及实施FMEA的时机和注意事项等等。在简单说明了FMECA方法的内容之后，就FTA方法的特点，定性分析，定量计算等，给予了一一论述。

实践证明，FMEA及FTA分析方法是行之有效的分析方法，广泛用于各技术职能部门，其不仅适用于产品的设计分析和工艺过程分析，亦适合设备能力的分析以及故障诊断分析等。 

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