【導讀】FMEA(Failure Mode and Effects Analysis)即故障模式及影響分析也稱為失效分析，是工程應用中最常用的可靠性分析方法之一。

2.1 概述 汽車是機、電、液、氣一體化的複雜産品，其可靠性分析方法見圖2-1。由圖可見，故障模式和影響分析(FMEA)，與故障模式、影響和緻命度分析(FMECA)常用于産品可靠性分析中的定性分析，而故障樹分析(FTA)和布爾理論(G·Boole Theery)與馬爾可夫理論(Markov Theory)多用于可靠性分析中的定量分析。在工程實踐中，常常将他們結合起來應用，這樣便于發揮它們各自的優點，互為補充，可以收到事半功倍的顯著效益。本章主要介紹定性分析方法和定量分析方法中兩種比較典型的方法，即FMEA方法和FTA方法，FMECA同FMEA方法類似，在這裡僅作簡單闡述。

圖2．1 汽車産品可靠性分析方法

2.2 FMEA方法2.2.1 FMEA背景及應用 FMEA(Failure Mode and Effects Analysis)即故障模式及影響分析也稱為失效分析，是工程應用中最常用的可靠性分析方法之一。它是在産品設計和加工過程中分析各種潛在的故障對其可靠性的影響，用以提高産品可靠性的一門分析技術，它以産品的元件、零件或系統為分析對象，通過人員的邏輯思維分析，預測結構元件或零件生産裝配中可能發生的問題及潛在的故障，研究問題及故障的原因，以及對産品質量影響的嚴重程度，提出可能采取的預防改進措施，以提高産品質量和可靠性。 20世紀50年代初，美國格魯門飛機公司在研制飛機主操縱系統時就采用FMEA方法，取得了良好的效果。到了60年代後期和70年代初期，FMEA方法開始廣泛地應用于航空、航天、艦船、兵器等軍用系統的研制中，現在已普及到機械、電子、醫療設備等民用産品，特别是汽車産品上，并且取得了顯著 的效果。FMEA方法經過長時間的發展與完善，已獲得廣泛的應用與認可，成為在系統的研制過程中必須完成的一項可靠性分析工作。2.2.2典型FMEA标準與規範 随着FMEA技術的推廣和發展，各個國家、各個行業紛紛推出了FMEA要求和方法，并形成标準、規範或手冊，其中比較著名的見表2-1。 表2.1 典型FMEA方法标準、手冊和規範

衆多标準、規範和手冊描述的FMEA主要分為軍工标準和汽車行業标準兩大類，軍工标準以美國的M1L-STD-1629A為代表，中國的軍标GJB 1391-92與其極為相似；汽車行業的FMEA标準以QS 9000參考手冊中描述的規範為代表，其它規範或手冊規定的方法與其基本相同，2002年頒布的全球統一的汽車質量體系标準ISO／TSl6949技術規範中的FMEA标準也是來源于此。2.2.3 FMEA适用範圍及分類 從表2．2可以看出，FMEA的應用範圍涉及産品生命周期的各個階段。 在産品生命周期的各個階段内，雖然FMEA的應用目的和應用方法略有不同，但其根本目的隻有一個，即從設計、生産和使用等角度發現産品的各種缺陷與薄弱環節，從而提高其可靠性水平。 表2-2 産品生命周期各階段FMEA方法

在汽車産品的開發過程中，FMEA技術主要應用于産品的設計階段和制造階段，故有設計FMEA(即DFMEA)與工藝FMEA(即PFMEA)之分。此外，在汽車産品的策劃、使用、維護等各階段，FMEA技術同樣可以應用。2.2.4 FMEA分析過程 進行系統的FMEA一般按圖2-2所示的步驟進行。

圖2-2 FMEA分析步驟 (1)明确分析範圍 根據系統的複雜程度、重要程度、技術成熟性、分析工作的進度和費用約束等，确定進行FMEA的産品範圍。 (2)系統任務分析 描述系統的任務要求及系統在完成各種任務時所處的環境條件。系統的任務分析結果一般用任務剖面來描述。 (3)系統功能分析 分析明确系統中的産品在完成不同的任務時所應具備的功能、工作方式及工作時間等。 (4)确定失效判據 制訂與分析判斷系統及系統中産品正常與失效的準則。 (5)選擇FMEA方法 根據分析的目的和系統的研制階段，選擇相應的FMEA方法，制定FMEA的實施步驟及實施規範。 (6)實施FMEA分柝 FMEA包括失效模式分析、失效原因分析、失效影響分析、失效檢測方法分析與補償措施分析等步驟。 失效模式分析是找出系統中每一産品(或功能、生産要素、工藝流程、生産設備等)所有可能出現的失效模式；失效原因分析是找出每一個失效模式産生的原因；失效影響分析是找出系統中每一産品(或功能、生産要素、工藝流程、生産設備等)每一可能的失效模式所産生的影響，并按這些影響的嚴重程度進行分類；失效檢測方法分析是分析每一種失效模式是否存在特定的發現該失效模式的檢測方法，從而為系統的失效檢測與隔離設計提供依據；補償措施分析是針對失效影響嚴重的失效模式，提出設計改進和使用補償的措施。 (7)給出FMEA結論 根據失效模式影響分析的結果，找出系統中的缺陷和薄弱環節，并制定和實施各種改進與控制措施，以提高産品(或功能、生産要素、工藝流程、生産設備等)的可靠性(或有效性、合理性等)。2.2.5 實施FMEA目的和意義 現代質量管理研究表明，産品質量首先是設計出來的，其次是生産出來的，而不是檢測出來的1201。使用FMEA，能在設計或制造階段發現産品設計的不足或存在的隐患，然後及時采取措施克服。 FMEA是一組系統化的相互作用的過程，其目的有： (1)發現、評價産品／過程中潛在的失效及其結果： (2)确定與産品有關的過程潛在失效模式； (3)評價失效對顧客的潛在影響： (4)确定潛在設計或制造過程的失效起因，确定減少失效發生或找出失效條件的過程控制變量： (5)編制潛在失效模式分級表，然後建立考慮措施的優選體系； (6)減輕缺陷的嚴重性，因此必須對零件的結構設計作更改； (7)在缺陷到達用戶手中之前或者産品出廠前提高發現缺陷的概率。 所有的FMEA分析最後都要求制作FMEA分析表，它是FMEA分析結果的書面總結。因而FMEA分析為設計部門、生産規劃部門、生産部門、質保部門等有關技術部門提供了共享的信息資源：另～方面，FMEA為以後同類産品的設計提供了資料。2.2.6 FMEA應用時機和注意事項 時間性是成功實現FMEA最重要因素之一，它是一個“事前行為”，而不是“事後練習”。為達到最佳效益，FMEA的應用一定要注意時機，它必須在産品或過程的設計和開發完成之前進行和完成。 在實施FMEA的過程中，應注意以下問題； (1)FMEA工作應與産品的設計同步進行，尤其應在設計的早期階段就開始進行FMEA，這将有助于及時發現設計中的薄弱環節并為安排改進措施的先後順序提供依據。 (2)對産品研制的不同階段，應進行不同程度、不同層次的FMEA。也就是說，FMEA應及時反映設計、工藝上的變化，并随着研制階段的展開而不斷補充、完善和反複叠代。 (3)FMEA工作應由設計人員負責完成，貫徹“誰設計、誰分析”的原則，這是因為設計人員對自己設計的産品最了解。 (4)FMEA分析中應加強規範化工作，以保證産品FMEA的分析結果具有可比性。開始分析複雜系統前，應統一制定FMEA的規範要求，結合系統特點，對FMEA中的分析約定層次、失效判據、嚴酷度與危害度定義、分析表格、失效率數據源和分析報告要求等均應作統一規定及必要說明。 (5)應對FMEA的結果進行跟蹤與分析，以驗證其正确性和改進措施的有效性。這種跟蹤分析的過程，也是逐步積累FMEA工程經驗的過程。一套完整的FMEA資料，是各方面經驗的總結，是寶貴的工程财富，應當不斷積累并歸檔，以備查考。 (6)FMEA雖然是有效的分析方法，但并非萬能。它不能代替其它的可靠性分析工作。應該特别注意，FMEA一般是靜态的單一因素分析法，在動态分析方面還不完善，若對系統實施全面的分析還應與其他分析方法相結合。

2.3 FMECA方法 FMECA是“Failure Mode，Effects and Criticality Analysis”的縮寫，即故障模式、影響和緻命度分析。該方法是在FMEA分析工作的基礎上增加了危害性分析，即FMECA=FMEA CA(緻命度分析)。FMECA一般應在設計的初期階段開始進行，這将有助于對設計的評審和為安排改進措施的先後順序提供依據。由于FMECA和FMEA的方法、步驟基本相同，這裡就不再重述，隻重 點闡述CA分析方法。 危害性分析是對FMEA的補充和擴展，其目的是按每一故障模式的嚴酷度類别及故障模式的發生概率所産生的影響對其劃等分類，以便全面地評價各種可能出現的故障模式影響。 危害性分析分為定性分析和定量分析兩種。在不能獲得産品技術狀态數據或故障率數據的情況下，則隻能進行定性分析；如能獲得上述數據，則最好進行定量計算。 定性分析就是将故障模式的發生概率按相關規定分成不同的等級，如： A級(經常發生)：而産品工作期間内某一故障模式的發生概率大于産品在該期間内故障概率的20％； B級(有時發生)：産品工作期間内某一故障模式的發生概率大于産品在該期間内故障概率的10％，但小于20％； C級(偶然發生)：産品工作期間内某一故障模式發生的概率大于産品在該期間内故障概率的1％，但小于10％； D級(很少發生)：産品工作期間内某一故障模式發生的概率大于産品在該期間内故障概率的0．1％，但小于1％； E級(極少發生)：産品工作期間内某一故障模式的發生概率小于産品在該期間内故障概率的0．1％。

2.4 故障樹分析(FTA)方法2.4.1 FTA概述 故障樹分析-FTA(Fault Tree Analysis)是60年代發展起來的用于大系統可靠性、安全性分析和風險評價的一種方法。它主要是針對各種複雜系統在方案與初樣設計階段進行可靠性安全性分析，用于系統的故障分析、預測和診斷，找出系統的薄弱環節，以便在設計、制造和使用中采取相應的改進措施。 在故障樹分析中，對于所研究系統的各種故障狀态或不正常情況被稱為故障事件，完好狀态或正常情況皆稱為成功事件，兩者均簡稱為事件。故障樹分析中所關心事件稱為頂事件，它是故障樹分析的目标，位于故障樹的頂端。僅 導緻其他事件發生事件稱為底事件，它是可能導緻頂事件發生的基本原因，位于故障樹的底端。位于各底事件與頂事件之間的中間結果事件稱為中間事件。用各種事件的代表符号和描述事件因果關系的邏輯門符号組成的倒立樹狀邏輯因果關系樹稱為故障樹。 故障樹分析法就是在系統設計過程中，通過對可能造成系統故障的各種因素(包括硬件、軟件、環境、人為因素等)進行分析，畫出邏輯框圖(即故障樹)，從而确定系統故障原因的各種可能的組合方式及其發生概率，以計算系統故障概率，采取相應的糾正措施，以提高系統可靠性。故障樹分析法的步驟，通常因評價對象分析目的、精細程度等的不同而異，但一般主要有以下三個步驟：故障樹的建立、定性分析、定量計算。故障樹分析法的具體内容如下： (1)對所選定的系統作必要的分析，确切了解系統的組成及各項操作的内容，熟悉其正常的作業圖； (2)對系統的故障進行定義，對預計可能發生的故障、過去發生過的故障事例作廣泛的調查； (3)仔細分析各種故障的形成原因，如設計、制造、裝配、運行、環境條件、人為因素等； (4)收集各故障發生的概率數據； (5)選定系統可能發生的最不希望發生的故障狀态作為頂事件，畫出故障邏輯圖； (6)對故障樹作定性分析，确定系統的故障模式； (7)對故障樹進行定量計算，計算出頂事件發生概率、各底事件的結構重要度、概率重要度、關鍵重要度等可靠性指标。2.4.2 故障樹分析的特點 歸納起來故障樹分析有以下10個特點： (1)故障樹分析是一種圖形演繹法。是故障事件在一定條件下的邏輯推理方法。它不局限于對系統作一般的可靠性分析，它可以圍繞一個或一些特定的失效狀态，作層層追蹤分析。因而，在清晰的故障樹圖形下，表達了系統故障事件的内在聯系，并指出了單元故障與系統故障之間的邏輯關系； (2)由于故障樹能把系統故障的各種可能因素聯系起來，因此，有利于提高系統的可靠性，找出系統的薄弱環節和系統的故障譜； (3)故障樹可以作為管理人員及維修人員的一個形象的管理、維修指南，因此，用來培訓長期使用大型複雜系統的人員更有意義； (4)通過故障樹可以定量的求出複雜系統的失效概率和其他可靠性特征量，為改進和評估系統的可靠性提供定量數據； (5)故障樹分析的發展與電子計算機技術的發展緊密相聯，圖像信息技術 也已經應用在故障樹分析中，因此，編制計算程序是故障樹分析中不可缺少的一部分； (6)故障樹分析的理論基礎，除概率論和數理統計外，布爾代數及可靠性數學中用到的數學基礎同樣應用于故障樹分析的定量分析中； (7)故障樹分析方法不僅應用于解決工程技術問題，而且開始應用于經濟管理的系統工程之中； (8)故障樹分析首先需要建樹，建樹過程複雜，需要經驗豐富的工程技術人員、操作及維修人員參加，而且不同的人所建造的故障樹不會完全相同； (9)系統越複雜，建樹越困難，耗時越長； (10)數據收集困難。2.4.3 故障樹定性分析 首先介紹兩個定義，即割集和路集的概念。設故障樹中有n個底事件x1，x2……，C={xi，…，xl}為某些底事件的集合，當其中全部底事件都發生時，頂事件必然發生，則稱C為故障樹的一個割集。若C是一個割集，而任意去掉其中一個底事件後就不是割集了，這樣的割集稱為最小割集。 從頂事件不發生角度出發，可引入路集的概念。設D={xi，…，xm}為某些底事件的集合，當D中全部底事件都不發生時，頂事件才不發生，則稱D為路集。若D為一個路集，而任意去掉其中某一個底事件後，D就不再是路集了，這樣的路集稱為最小路集。 故障樹定性分析的主要目的是為了找出導緻頂事件發生的所有可能的故障模式，也即弄清楚系統出現某種最不希望發生的事件有多少種可能性，即是尋找故障樹的全部最小割集，尋找頂事件發生的原因和原因組合，識别導緻頂事件發生的所有故障模式，它可以幫助判别潛在的故障，對設計加以改進，還可以用于指導故障診斷，改進設備運行和維修方案。 一般來說，一個故障樹中最小割集和最小路集都不隻有一個。找最小割集(或路集)是非常重要的，它可以使人們發現系統的薄弱環節，以便有目标、有針對性的進行改進設計，以合理地提高系統可靠性水平。故障樹定性分析就是為了求最小割集或路集。 通常有兩種方法來求最小割集：下行法和上行法。 下行法是根據故障樹的實際結構，從頂事件開始，逐級向下尋查，找出割集。下行法的求解思路如下： 隻就故障樹結構的上下相鄰兩級來看，與門隻增加割集階數(割集所含底事件數目)，不增加割集個數；或門隻增加割集個數，不增加割集階數。在從頂事件的下行的過程中，順次将邏輯門的輸出事件置換成輸入事件。遇到與門就将其輸入事件排在同一行，遇到或門就将其輸入事件各自排成一行，這樣直 到全部換成底事件為止，即可求得全部割集。将得到的全部割集兩兩比較，去掉那些非最小割集，剩下的即為故障樹的全部最小割集。

圖2-4 求故障樹最小割集示例圖 如圖2-4所示的故障樹，用下行法求解最小割集的過程見表2．3，在求得全部割集之後，将其兩兩比較即可從中篩選出最小割集。 上行法是從底事件開始，自下而上逐步地進行事件集合運算，将或門輸出事件表示為輸入事件的并(布爾和)，将與門輸出事件表示為輸入事件的交(布爾積)。這樣向上層層代入，在逐步代入過程中，按照布爾代數吸收律和等幂律來化簡，将頂事件表示成底事件積之和的最簡式。其中每一積項對應于故障樹的一個最小割集，全部積項即是故障樹的全部最小割集。2.4.4 故障樹定量計算 重要度分析是FTA定量分析中的重要組成部分，它用于分析系統的薄弱環節，重要度是指一個部件或者系統的割集發生時(底事件)對頂事件發生概率的貢獻，它是時間，底事件發生概率以及故障樹結構的函數，重要度分析類似于靈敏度分析，在系統的設計，診斷和優化方面都很有用。

2.5 本章小結 本章主要探讨了産品可靠性分析技術中兩種比較典型的方法，即FMEA方法(定性分析)和FTA方法(定量分析)。較為詳細介紹了FMEA方法的曆史背景、适用範圍、分析步驟、實施FMEA的目的、意義以及實施FMEA的時機和注意事項等等。在簡單說明了FMECA方法的内容之後，就FTA方法的特點，定性分析，定量計算等，給予了一一論述。 實踐證明，FMEA及FTA分析方法是行之有效的分析方法，廣泛用于各技術職能部門，其不僅适用于産品的設計分析和工藝過程分析，亦适合設備能力的分析以及故障診斷分析等。

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