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故障模式、影响与危害性分析（FMECA）是分析产品所有可能的故障模式及其可能产生的影响，并按每个故障模式产生影响的严重程度及其发生概率予以分类的一种归纳分析方法。FMECA 是产品可靠性分析的一个重要的工作项目，也是开展维修性、安全性、测试性和保障性分析的基础。
但是开展FMECA需要的人员多、工作量大、时间长，导致很多单位未能真正有效的开展FMECA，很多人员对FMECA的认识和理解也不够充分，本文从What、Why、How三个角度对FMECA进行介绍，尽力把FMECA讲明白。
1、FMECA是什么？（What）
1.1 FMECA的内涵
根据GJB 1405A-2006《装备质量管理术语》的定义，故障模式与影响分析（failure mode and effect analysis）（FMEA）是分析产品中每一个可能的故障模式并确定其对该产品及上层产品所产生的影响，以及把每一个故障模式按其影响的严重程度予以分类的一种分析技术。而故障模式、影响与危害性分析（FMECA）是同时考虑故障发生概率与故障危害程度的故障模式与影响分析。
从FMECA的定义出发，要想明白其内涵，必须理解以下内容：
1）故障模式
故障的表现形式，如：短路、开路、断裂、过度耗损等。产品具有多种功能时，应找出该产品每个功能全部可能的故障模式（注意，复杂产品一般都有多种故障模式），同时，需要理解故障模式、故障机理和故障原因三个不同的概念：
故障原因是引发故障的设计、制造、使用和维修等有关因素，如设计不合理、使用不当等。故障机理是引发故障的物理、化学、电学、力学或其他过程，是从最低一级故障产品导致故障最终发生的整个过程。故障模式是故障的表现形式，如短路、开路、断裂、过度耗损等。一个故障的出现是由故障原因引发，通过故障机理的作用，最终出现故障模式的过程。
2）影响分析
故障影响分析的目的：找出产品每个可能故障模式所产生的影响，并对其严重程度进行分析，故障模式的影响一般分为：局部影响、高一层次影响和最终影响。
① 局部影响：某产品的故障模式对该产品自身及所在约定层次产品的使用、功能或状态的影响；
② 高一层次影响：某产品的故障模式对该产品所在约定层次的紧邻上一层次产品的使用、功能或状态的影响；
③ 最终影响：某产品的故障模式对初始约定层次产品（总体产品）的使用、功能或状态的影响。
3）故障发生概率
故障发生概率是评定某个故障模式实际发生的可能性，其评分准则如表1所示。
表1 故障模式发生概率等级的评分准则
4）故障模式影响的严酷度
故障模式影响的严酷度是评定某个故障模式的最终影响的程度，其评分准则如表2所示，在分析中，评分准则应综合所分析产品的实际情况尽可能详细规定。
表2 故障模式影响的严酷度等级的评分准则
1.2 FMECA方法
FMECA是为了发现产品的缺陷与薄弱环节，并采取有效的改进和补偿措施以提高其可靠性水平，但在产品寿命周期的不同阶段，因工作内容各异，所采用FMECA的方法也不尽相同，如表3所示。
表3 在产品寿命周期各阶段的FMECA方法
产品在论证与方案阶段、工程研制阶段的早期主要考虑产品的功能组成，对其进行功能FMECA；当产品在工程研制阶段、定型阶段，主要采用硬件（含DMEA）、软件的FMECA；过程FMECA是产品生产工艺中运用FMECA方法进行的分析工作，它应与工艺设计同步进行，以及时发现工艺实施过程中可能存在的薄弱环节并加以改进；在产品使用阶段，利用使用中的故障信息进行FMECA，以及时发现使用中的薄弱环节并加以纠正。
2、为什么要开展FMECA？（Why）
传统提升可靠性的方法是在故障发生后，通过分析故障原因并采取改进措施，被动提升产品的可靠性；而FMECA提升可靠性的方法是预先分析故障及影响，通过采取设计技术措施预防故障降低后果，主动提升产品的可靠性。重心前移，从被动到主动提升可靠性，可以有效地减少产品故障，降低使用成本，保证使用安全。
FMECA与通用质量特性关系密切，GJB 450《装备可靠性工作通用要求》、GJB 2547《装备测试性工作通用要求》、GJB 368《装备维修性工作通用要求》都把FMECA作为重要的工作项目，FMECA也为安全性和保障性提供有效的依据。
对可靠性，FMECA可以确定可靠性关键产品，找出产品在设计、加工制造和工艺中存在的薄弱环节，并提出改进措施，从而提高装备的可靠性。对测试性，测试性设计、核查、验证试验和分析评价等工作，均以FMECA 结果为基础。对维修性，FMECA提供产品的故障条件、故障影响的严酷度、故障检测方法和故障原因，为合理安排维修计划提供了依据。对保障性，利用FMECA 结果，可以准备故障检查清单，执行任务前/后检查工作，科学合理地安排装备维修所需的备品备件等。对安全性，采用FMECA、FTA 等方法，结合以往事故信息和相似装备的经验教训，综合考虑硬件、软件、环境及使用与维修等因素，可识别装备在全寿命周期中可能存在的危险，并针对性地采取措施。
3、怎么开展FMECA？（How）
功能FMECA、硬件FMECA、软件FMECA、过程FMECA虽是不同的方法，但总体流程和步骤基本一致，下面就以硬件FMECA为例，介绍FMECA工作流程及各步骤的主要工作，工作流程如图1所示。
图1 硬件FMECA 的工作流
1）系统定义
系统定义的目的：使分析人员有针对性地对被分析产品在给定任务功能下进行所有可能的故障模式、原因和影响分析，可分为产品功能分析和绘制框图（功能框图、任务可靠性框图）两个部分。
① 产品功能分析：在描述产品任务后，对产品在不同任务剖面下的主要功能、工作方式和工作时间等进行分析。
② 绘制功能框图和任务可靠性框图：功能框图表示产品各组成部分所承担的任务或功能件的相互关系，以及产品每个约定层次间的功能逻辑顺序、数据（信息）流、接口的一种功能模型。可靠性框图是描述产品整体可靠性与其组成部分的可靠性之间的关系。篇幅所限，具体示例可参见GJB/Z 1391《故障模式、影响及危害性分析指南》，不再赘述。
2）故障模式分析
故障模式分析的目的：找出产品所有可能出现的故障模式。可采用不同的FMECA方法（如功能FMECA、硬件FMECA等）进行故障模式分析，故障模式分析的方式包括：通过统计/试验/分析/预测等方法获取产品的故障模式、可从国内外标准/手册种查询常用元器件/零组件的故障模式、参照典型故障模式进行故障模式分析等。
3）故障原因分析
故障原因分析的目的：找出每个故障模式产生的原因，进而采取针对性的有效改进措施，防止或减少故障模式发生的可能性。故障原因分析的方法：① 从导致产品发生功能故障模式或潜在故障模式的那些物理、化学或生物变化过程等方面找故障模式发生的直接原因；② 从外部因素（如其他产品故障、使用、环境或人为因素等）方面找产品发生故障模式的间接原因。
4）故障影响和严酷度分析
故障影响分析的目的：找出产品的每个可能的故障模式所产生的影响，并对其严重程度进行分析。由于FMECA的最终目的是为了分析初始约定层次的装备的可靠性， 在每个层次进行故障模式影响分析时，不只是分析故障模式给所分析的产品自身可能造成的影响（局部影响），还要分析对上一约定层次造成的影响（高一层次影响）和对初始约定层次造成的影响（最终影响），进而根据最终影响有可能造成的最坏后果的严重程度确定严酷类别（注意，一定是按故障模式的最终影响确定严重严酷类别）。
5）故障检测方法分析
故障检测方法分析的目的：为产品的维修性与测试性设计、以及维修工作分析等提供依据。故障检测一般分为事前检测与事后检测两类，检测方法一般包括：目视检查、原位检测、离位检测、机内测试（BIT）、自动传感装置、传感仪器、音响报警装置、显示报警装置和遥测等。
6）设计改进与使用补偿措施分析
设计改进与使用补偿措施分析的目的：针对每个故障模式的影响在设计与使用方面采取了哪些措施，以消除或减轻故障影响，进而提高产品的可靠性。
设计改进措施主要针对高严酷度（例如开展FMEA时严酷度为I 类、II 类）或高风险（例如开展FMECA时风险指数为1～9）的故障模式，在确定设计方案时，根据故障原因，从设计、工艺、元器件或材料选型、试验和质量控制等方面，采取降低故障发生的可能性或减轻故障后果的预防或纠正措施。
使用补偿措施是指对于采取设计改进措施后，仍不能避免或减少故障对系统的影响时，应在系统设计中采取的措施或操作行为，例如：冗余、保险装置、使用备用设备或系统、维修和人工切换工作方式等。
7）危害性分析
危害性分析的目的：对产品每一个故障模式的严重程度及其发生的概率所产生的综合影响进行分类，以全面评价产品中所有可能出现的故障模式的影响。
危害性分析常用的方法包括风险优先数（RPN）、危害性矩阵分析等，风险优先数方法是对产品每个故障模式的RPN值进行优先排序，并采取相应的措施，使RPN值达到可接受的最低水平。产品某个故障模式的RPN等于该故障模式的严酷度等级和故障模式的发生概率的乘积，严酷度等级和发生概率的评分准则详见表1和表2。
危害性矩阵分析方法又可分为定性、定量两种，定性危害性分析矩阵是将每个故障模式发生的可能性分成离散的级别，按所定义的等级对每个故障模式进行评定。定量危害性矩阵分析方法是按公式计算每个故障模式危害度和产品危害度，利用矩阵图进行危害性分析。最后绘制出危害性矩阵图，比较每个故障模式影响的危害程度，为确定改进措施的先后顺序提供依据。
8）FMECA报告
FMECA报告的主要内容包括：
① 概述：实施FMECA的目的、产品所处的寿命周期阶段、分析任务的来源等基本情况；实施FMECA的前提条件和基本假设的有关说明；编码体系、故障判据、严酷度定义、FMECA方法的选用说明；FMECA、CA表选用说明；分析中使用的数据来源说明；其他有关解释和说明等；
② 产品的功能原理：被分析产品的功能原理和工作说明，并指明本次分析所涉及的系统、分系统及其相应的功能，并进一步划分出FMECA的约定层次；
③ 系统定义：被分析产品的功能分析、绘制功能框图和任务可靠性框图；
④ 填写的FMEA、CA表的汇总及说明；
⑤ 结论和建议：除阐述结论外，对无法消除的严酷度为I、II类单点故障模式或严酷度为I、II类故障模式的必要说明，对其他可能的设计改进措施和使用补偿措施的建议、以及预计执行措施后的效果说明；
⑥ FMEAC清单：根据FMECA表的结果确定：严酷度I、II类单点故障模式清单；可靠性关键重要产品清单等。
⑦ 附件：FMEA、CA表；危害性矩阵图等。
4、最后的话
FMECA是一种经验证有效的分析方法，但也和其他质量方法一样，单靠理论学习是无法彻底掌握的，必须把方法运用具体项目中，真正去操作、去实践，才能真正掌握方法的精髓，祝各位朋友都能熟练掌握和运用FMECA方法。
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