FMEA失效分析与失效模式分析

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失效分析与失效模式分析

失效与失效分析失效模式及影响分析（FMEA）故障树分析（FTA）2失效与失效分析什么是失效?工程失效有哪些主要原因?什么是失效分析?失效分析有哪些要点?失效分析在工程中的地位和作用如何?常用的失效分析方法有哪些?34什么是失效？国家标准GB3187—82中定义：“失效（故障）——产品丧失规定的功能。对可修复产品，通常也称为故障。”

1．产品：经济学上将企业进行生产活动所创造的、符合于原规定生产目的和用途的直接生产成果称为产品。2．可修复产品：当产品丧失规定功能时，按规定的程序和方法进行维修后，可恢复规定功能的产品。3．功能：功能是指作为产品必须完成的事项，指产品的功用和用途。5什么是失效？4．规定的功能：指国家有关法规、质量标准、技术文件以及合同规定的对产品适用、安全和其他特性的要求。

5．丧失：产品在商品流通或使用过程中失去了原有规定的功能（或降低到规定的功能以下），也就是说，产品规定的功能有一个从有到无、从合格到不合格的过程。工程失效有哪些主要原因？6工程失效有哪些主要原因？1.工程失效的具体原因及其比例

材料选择不当

不恰当的维护

错误的设计考虑

错误的工艺过程

服役过程中质量恶化

2.不同类型的失效断裂模式7设计问题49%89由于错误的设计考虑或错误选材造成的失效举例韧性断裂（过度变形，弹性的或塑性的；撕裂或剪切断裂）；脆性断裂（由于裂纹或临界尺寸提升了应力）；疲劳失效（载荷循环变化、应变循环变化、温度循环变化、腐蚀疲劳、滚动接触疲劳及磨损疲劳）；高温失效（蠕变、氧化、局部熔化及翘曲）；静态延时断裂（氢脆、腐蚀氢脆、环境因素促进的裂纹的缓慢生长）；设计中固有的过度严重的应力提升；不充分的应力分析，或者在一个复杂的零件中不能做到合理的应力计算；错误地在静态抗拉性能的基础上进行设计。并以此代替用以衡量材料对各个可能失效模式所具有的抗力的重要性能。10由于错误的工艺过程而可能导致的失效举例由于错误的成分而产生的缺陷（夹杂物、脆性介质、错误的材料）；最初产生在铸锭及铸造过程中的缺陷（偏析、不致密、疏松、缩孔及非金属夹杂物）；加工产生的缺陷（皱皮、裂缝、破碎开裂、热裂、起皮及过度的局部塑性变形）；由机加工、磨削或锻造所引起的不正规物及错误（擦伤、过烧、撕裂、飞边、裂纹、脆性）；由焊接引起的缺陷（疏松、咬边、开裂、残余应力、未焊透、焊道下开裂、热影响区）；由热处理引起的不正常现象（过热、过烧、淬火裂纹、晶粒粗大、过量的残留奥氏体、脱碳及偏析）。由表面淬火引起的缺陷（晶间碳化物、软心、错误的热循环）。不小心的组装（配合件的错误匹配、带入灰尘或磨料、残余应力、零件擦伤或损坏）。由于横向性能差而在锻件中出现分离线的失效现象。11在服役条件下由于质量恶化而产生失效的原因包括过载或未预见的加载条件。磨损（磨蚀、因过度磨损而咬住、粘住、擦伤、气蚀）。腐蚀（包括化学接触、应力腐蚀、腐蚀疲劳、脱锌、铸铁石墨化、大气污染）。不够充分的或非直接的维护或不适当的修理（例如焊接、磨削、冲孔、冷校直）。剥蚀，由化学接触、液态金属接触或高温下电镀所致。射线损害（有时必须去除试验所留下的污染，它可能毁坏失效原因的要害性的证据）；随时间、温度、环境与剂量而变化。偶然性条件（如不正常的操作温度、剧烈的振动、声振、冲击或不可预见的碰撞、烧蚀、热冲击）。1940年美国西海岸华盛顿州世界第三的Tacoma大桥，中央跨距853m，悬索桥结构，建成四个月在19ms-1的小风下塌毁。131415工程失效的主要原因分类3.工程失效的原因分类用法不当。构件的组装和设计是正确的，在非设计条件下运行。组装错误及不恰当的维护。设计错误。①零件的尺寸与形状（应力分析或几何约束）。②材料（热处理）。③性能（应力分析、抗腐性能等）。16什么是失效分析？失效分析：考察失效的构件及失效的情景（模式），以确定失效的原因。失效分析的目的：在于明确失效的机理与原因。改进设计、改进工艺过程、正确地使用维护。失效分析的主要内容：包括明确分析对象，确定失效模式，研究失效机理，判定失效原因，提出预防措施（包括设计改进）。失效分析的要点？失效分析的理想目标应当是：“模式准确，原因明确，机理清楚，措施得力，模拟再现，举一反三”。1718失效分析的要点？之一1．模式准确所谓失效模式，是指失效的外在宏观表现形式和过程规律，一般可理解为失效的性质和类型。失效模式按其所定义的范围、属性、标准和参量，可分为一级失效模式、二级失效模式等。模式准确，就是要将失效的性质和类型判断准确，尤其是要将一级失效模式和二级失效模式判断准确。失效模式的判断分为定性和定量分析两个方面。在一般情况下，对一级失效模式的判断采用定性分析即可。而对二级甚至三级失效模式的判断，就要采用定性和定量、宏观和微观相结合的方法。

19一级失效模式的分类20主要失效模式的分类与分级21

如某型涡轮叶片在第一榫齿处发生断裂，通过断口的宏观特征可确定一级失效模式为疲劳失效。然后通过对断口源区和扩展区特征分析和对比，并结合有限元应力分析等，可作出该叶片的断裂模式为起始应力较大的高周疲劳断裂的判断，即相当于作出了三级失效模式的判断。22失效分析的要点？之二2．原因明确失效原因的判断通常是整个失效分析的核心和关键，对于确定失效机理、提出预防措施等均有重要的意义。失效原因通常是指酿成失效甚至事故的直接关键性因素。与失效模式一样，失效原因也可分为一级失效原因和二级失效原因等。一级失效原因的判断，一般指造成该失效事故的直接关键因素处于设计、材料、制造工艺、使用及环境的哪一环节，即通常所谓的“设计是根本，材料是基础，工艺是关键，使用是保证”的某一关键环节。23失效分析的要点？之三在一级失效原因正确的基础上，探讨和分析二级失效原因。例如设计原因引起的失效还可细分为设计思想、结构、对载荷分析的准确性、选材等二级失效原因。3．机理清楚失效机理是指失效的物理、化学变化本质，微观过程可以追溯到原子、分子尺度和结构的变化，但与此相对的是它迟早也要表现出一系列宏观（外在的）的性能、性质变化。24失效分析的要点？之四通常可将失效原因分为内因和外因。失效机理即失效的内因，它是导致发生失效零件或材料的物理、化学或机械损伤过程等。4．措施得力，模拟再现，举一反三措施得力，模拟再现，举一反三是建立在前面对失效模式、失效原因和失效机理深入分析和准确把握的基础上。当然制定预防措施需考虑长远的措施和产品使用问题以及工程上的可行性、经济性等。模拟再现则要分析模拟的可能性和必要性。同时，随着计算机技术的高速发展，计算机模拟也成为模拟再现的一个重要手段。失效分析的分类按时机分：事前分析、事后分析、事中分析按连续性分：间歇分析、连续分析按分析方式分：个别分析、统计分析按产品管理阶段分：设计中的失效分析、制造中的失效分析、使用中的失效分析2526失效分析在工程中的地位和作用？1．失效分析是全面质量管理中必不可少的重要环节2．失效分析是可靠性工程的技术基础之一3．失效分析是安全工程的重要技术保证之一4．失效分析是维修工程的理论基础和指导依据5．失效分析可产生巨大的经济效益和社会效益

常用的失效分析方法图示法

直方图法、因果图法、主次图法按失效模式及其影响进行分析的方法

FMEA、FMECA、FTA、ETA

综合分析法

FMECA+FTA、FTA+ETA2728常用的失效分析方法图示法失效模式及影响分析法综合分析法直方图法因果图法主次图法故障树分析FTA事件树分析ETAFMECA与FTA综合失效模式影响及致命性分析FTA与ETA综合FMECA29失效模式及影响分析（FMEA）FMEA方法概述FMEA涉及的一些基本概念FMEA方法的根本目的FMEA方法的作用FMEA表格FMEA实施的步骤FMECA介绍FMEA工作流程及特点FMEA的组织与实施其他30FMEA方法概述

FMEA技术是从工程实践中总结出来的科学方法，是一项有效、经济且易掌握的分析技术。它广泛应用于可靠性工程、安全性工程、维修工程等领域。FMEA技术形成标准，1974年，美国发布了MIL-STD-1629《故障模式影响及致命性分析程序》，1985年，IEC发布了IEC812《故障模式和影响分析（FMEA）程序》。我国也于l987年颁发了GB7826《失效模式和效应分析（FMEA）程序》（同等IEC812），在1992年颁发了GJBl391《故障模式、影响及危害性分析程序》。FMEA涉及的一些基本概念故障模式：故障表现的形式，如短路、开路、断裂、过度耗损等。故障影响：故障模式对产品的使用、功能或状态所导致的结果。故障影响一般分为局部的、高一层次的和最终影响三级。故障分析：发生故障后，通过对产品及其结构、使用和技术分析等进行逻辑系统地研究，以鉴别故障模式、确定故障原因和失效机理的过程。故障原因：直接导致故障或引起性能降低并进一步发展成故障的那些物理或化学过程、设计缺陷、工艺缺陷、零件使用不当和其它过程等因素。故障（失效）机理：引起故障（失效）的物理、化学和生物等变化的内在原因。FMEA方法的根本目的按规定的规则记录产品设计中所有可能的故障模式；分析每种故障模式对系统的工作及状态（包括战备状态、任务成功、维修保障、系统安全等等）的影响并确定单点故障；将每种故障模式按其影响的严酷度及发生概率排序，从而发现设计中潜在的薄弱环节；提出可能采取的预防改进措施（包括设计、工艺或管理），以消除或减少故障发生的可能性，保证产品的可靠性。FMEA方法的作用（1/2）保证有组织地、系统地、全面地查明一切可能的故障模式及其影响，对它们应该或是已采取适当的补救措施，或是确认其风险已低于可以接受的水平。找出被分析对象的“单点故障”。所谓单点故障是指这种故障单独发生时，就会导致不可接受的或严重的影响后果。一般说来，如果单点故障出现概率不是极低的话，则应在设计、工艺、管理等方面采取切实有效的措施。产品发生单点故障的方式就是产品的单点故障模式。为制定关键项目清单或关键项目可靠性控制计划提供依据。为可靠性建模、设计、评定提供信息。揭示安全性薄弱环节，为安全性设计（特别是载人飞船的应急措施、火箭地面爆炸……等等）提供依据。FMEA方法的作用（2/2）为制定试验大纲提供信息，以便试验前作好充分检测，尽可能达到试验预定目的。为确定需要及时更换哪些有限寿命的零部件、元器件提供清单，以提供使用可靠性（包括贮存可靠性）设计的信息。为确定需要重点控制质量及生产工艺（包括采购，检验）的薄弱环节清单提供信息。为确定维修方案、机内测试（BIT，BuiltinTest）、测试点设计、编写维修指南、维修保障设计提供信息。为设计故障诊断、隔离及结构重组等提供信息。作为使可靠性指标符合要求的一种反复叠代的设计手段。及早发现设计、工艺中的各种缺陷，以便提出改进措施。不同领域的FMEA应用FMEA按其应用的领域可分成以下多种：SFMEA–系统FMEADFMEA–设计FMEAPFMEA–过程FMEAAFMEA—应用FMEASFMEA—服务FMEAPFMEA—采购FMEA36DFMEA和PFMEA的联系产品设计部门的下一道工序是过程设计，产品设计应充分考虑可制造性和可装配性问题，由于产品设计中没有适当考虑制造中技术与操作者体力的限制,可能造成过程失效模式的发生。如：

必要的拔模斜度表面处理的限制装配空间/工具可接近性钢材硬度的限制过程能力/性能37DFMEA和PFMEA的联系产品设计FMEA不能依靠过程检测作为控制措施。PFMEA应将DFMEA作为重要的输入。对DFMEA中标明的特殊特性也必须在PFMEA中作为重点分析的内容。3839FMEA的成果表达列FMEA表、PFMEA表（过程用）、实例1

FMEA分析所用表格的形式、内容应随分析的对象不同而有所差异，实施FMEA的人可根据情况适当增减项目。

40荐用的FMEA表的格式FMEA表格PFMEA表4142434445FMEA的具体任务找出零（元）、部件或系统可能发生何种故障模式；鉴别或推断其失效的机理；研究该故障模式对系统可能产生什么影响；分析这些影响是否是致命性的（即影响和后果分析）。FMEA的输入进行FMECA的需要输入一些信息，主要有：设计任务书（或技术规范）设计方案论证报告被分析的对象在所处的系统内的作用与要求的信息有关的设计图样被分析对象及所处系统、分系统在启动、运行、操作、维修中的功能、性能、可靠性信息可靠性数据及故障案例47FMEA的分析方法和步骤（1）明确系统的组成，弄清系统、子系统及零、部件的结构、功能，并绘出产品功能及结构层次框图。（2）画出系统可靠性功能逻辑框图，明确各单元间及单元与系统间的功能逻辑关系，便于进行可靠度及故障率计算。（3）按单元列出每个组成零件可能发生的（明显的和潜在的）故障模式。（4）分析故障的原因。设计（结构）、制造、使用（环境、维护、人为）（5）指出故障的后果。对其他单元、子系统、系统的影响；人员、环境、经济…48FMEA的分析方法和步骤（6）统计（估计）故障发生的频数及频率，Occurrence。（故障模式发生概率评分准则：O=1-10）（7）估计故障的严重程度，Severity。（故障模式严酷度评分准则：S=1-10）（8）估计故障被发观的难易性，Detection。（故障模式检测难度评分准则：D=不易测数1-10）（9）计算风险顺序数RPN

（riskprioritynumber）。（6）（7）（8），按风险顺序数由大到小排定故障重要程度的相对次序。（10）提出改进的建议和措施。对于那些潜在的且风险顺序数大的故障模式，应提出改进和减少其发生的建议和措施，这是FMEA方法成功与否的关键。49发射接收显示供电通讯话筒线圈天线耳机蜂鸣器电池头套机匣步话机产品的功能层次关系产品的结构层次关系50发射单元接收单元显示单元供电单元产品的可靠性功能逻辑框图51损坏型（强度：拉、弯、扭、变形、温度、摩擦、…）退化型（时间）松脱型（联接）失调型（需调整部分）堵塞型（通路处）渗漏型（密封）功能型（动作）其他型（润滑不良、汽车没油、驾驶室闷热、缺油、缺水、排冒黑烟，等等。）要根据不同产品及其使用条件，确定该产品的失效（故障）模式。

工程常见的故障模式分类52故障模式发生概率评分准则5354故障模式严酷度评分准则5556故障模式检测难度评分准则5758

失效模式、影响及致命度分析（FMECA）1.致命度：指各失效模式产生后果的严重程度（Criticality），进行致命度分析，可指出哪种零、部件，哪种失效模式需采取的预防措施或改进设计。

2.FMECA：FMEA的发展。一般FMEA只进行定性分析，而FMECA可以进行定量分析。FMECA的结果也应当作为设计综合评审、安全性工程、维修性工程中重要技术文件。3.FMECA是在FMEA基础上进行工作。填写FMECA表

进行致命度分析：利用致命度网络图分析或用解析法。59供参考的一种FMECA表的格式失效（故障）效应分为局部效应及最终效应。局部效应是指零部件故障模式对该单元功能的影响后果；最终效应是指所研究故障模式对系统功能的影响后果。失效模式概率可以用失效（故障）模式频率比估计。这可以通过试验、现场调查，统计分析或由有经验的人员一起依经验初步估计。第i种零、部件出现第j种失效模式的失效模式概率第i种零、部件出现第j种失效模式的频数第i种零、部件全部失效模式发生的总频数60致命度网络图O该失效模式致命度高，必须采取措施降低致命度。61FME（C）A工作流程成立功能小组计算风险值确定工序详述失效模式原因失效后果RPN排序；（计算及绘制致命度网络图）开展纠正措施跨部门多功能小组的组成62由操作员、技术员、工程师和部门主管组成指定小组组长建议为工序责任人应有足够的授权以便开展工作必要时，应有专家级人物参加开始时，由少数人组成的核心小组可能更有利于制定一个框架。PFMEA工作流程63制定一工序流程图，该流程图应能代表真正的生产工序.确定评定比率大致描述一下操作人员、设备、产品的相互影响64FMEA特点一种系统的解决问题的方法集中有限的资源，优先解决重大风险项目为控制计划找出工序中不足的地方以事实为依据–避免主观主义为后面的风险和资源管理提供现场的文件是过程/产品知识积累、公司的知识库提升生产力减少浪费节省成本FMEA的组织与实施人员：由负责设计的工程师或工程师小组负责，组成一个包括设计、制造、装配、售后服务、质量及可靠性方面的专家小组。与设计有关的上游（如供方、材料、上一个相关系统设计师）和下游（如下一个相关系统设计师）的部门也将被吸收参加小组的工作。65FMEA的组织与实施时机：FMEA旨在及早识别出潜在的失效，因此愈早开始愈好。一般说来，在一个设计概念形成，设计方案初步确定时应该开始FMEA初稿的编制。随着设计活动的展开，在设计的各个重要阶段，对FMEA的初稿进行评审，不断进行修改。FMEA作为设计活动的一部分，应该在设计任务完成（如设计图样完成、过程设计文件完成）之时完成FMEA工作。FMEA是一个动态文件，在整个产品寿命周期内，根据反馈信息，在进行设计修改时对FMEA进行重新评审和修改。66FMEA实施的必要性FMEA与QS9000质量体系要求的关系QS9000中明确规定FMEA是质量体系和设计控制要素中的要求。QS9000要求使用APQP（AdvancedProductQualityPlanning，产品质量先期策划）手册进行质量策划。而DFMEA和PFMEA又是APQP规定的输入、输出要素。同时PPAP（ProductionPartApprovalProcess，生产件批准程序）手册也明确规定了FMEA的要求。因此，FMEA是必须进行的一项活动。67故障树分析方法FTA方法的基本概念FTA方法中的事件FTA方法中的符号故障树分析的一般过程故障树的定性分析故障树的定量分析建立故障树的一般原则6869直流电动机驱动水泵系统原理图当顶事件为电机不转时的故障树FTA分析实例FTA方法的基本概念故障树用各种事件的代表符号和描述事件间逻辑因果关系的逻辑门符号组成的倒立树状逻辑因果关系图。故障树分析法以故障树为工具对系统的失效进行分析的方法。研究系统的故障（或人们不希望发生的事件）与产生该故障的原因之间的因果关系。7071故障树分析法中的事件故障事件：所研究系统的各种故障状态或不正常情况成功事件：各种完好状态或正常情况顶事件：人们关心的结果即系统故障（或不希望发生的事件），位于故障树之顶它是故障树分析之目标。底事件：位于“树”底的事件，亦称为基本事件，是导致事件发生的基本原因或人们不希望或不需要进一步分析的原因。中间事件：位于顶事件与底事件之间的中间过渡事件称为中间事件，是需要进一步分析其发生的原因的事件。72故障树分析中的符号（1）事件符号：分为底事件、结果事件和特殊事件。基本事件：在特定的故障树分析中无须探明其发生原因的底事件未探明事件：原则上应进一步探明其原因但暂时不必或暂时不能探明其原因的底事件

结果事件：故障树分析中由其他事件或事件组合所导致的事件。分为顶事件和中间事件开关事件：在正常条件下必然发生或必然不发生的特殊事件

条件事件：描述逻辑门起作用的具体限制的特殊事件

73故障树分析中的符号（2）逻辑门符号：逻辑门描述事件间的逻辑因果关系，包括与门、或门、非门和特殊门。与门或门非门74特殊门：表示输出事件的发生是有一定条件的

顺序与门：表示仅当输入事件按规定的顺序发生时，输出事件才发生。

表决门：表示仅当n个输入事件中至少有r个事件发生时，输出事件才发生

异或门：表示仅当单个输入事件发生时，输出事件才发生禁门：表示仅当条件事件发生时，输入事件的发生方导致输出事件发生75故障树分析中的符号（3）转移符号：为了避免画图时重复、转页和使图形简明而设置的符号。分为相同转移符号和相似转移符号。

相同转移符号

a—转向符号；b—转此符号

相似转移符号

a—相似转向；b—相似转此

76直流电动机驱动水泵系统原理图当顶事件为电机不转时的故障树77故障树分析的一般过程建立故障树；建立故障树的数学模型；进行系统可靠性的定性分析；进行系统可靠性的定量分析。78故障树分析的一般过程（1）准备工作

FTA的准备工作包括：熟悉产品、确定分析目的和确定故障判据。（a）熟悉产品主要包括：熟悉产品的设计说明书、原理图、运行规程、维修规程和有关资料，透彻掌握产品的设计意图、结构、功能、边界和环境情况，辨明人的因素和软件对产品的影响，辨识产品的各种工作模式，辨识各种故障事件等。（b）确定分析目的同一个产品，如果分析目的不同，则建立的故障树也各不相同。例如分析硬件故障，则可以忽略人的因素；分析内部故障则可以忽略外部事件等。因此应该明确进行故障树分析的目的。（c）确定故障判据根据产品功能和性能要求确定产品的故障判据，只有故障判据确切，才能辨明什么是故障，从而才能确定导致故障的全部直接原因。（2）选择顶事件根据分析的需要，选择一个最不希望发生的事件作为顶事件。（3）建立故障树利用故障树专用的事件和逻辑门符号将故障事件之间逻辑推理关系表达出来。（4）故障树定性分析根据建立的故障树，采用上行法或者下行法进行分析，确定故障树的割集和最小割集，进行最小割集和底事件的对比分析。故障树分析的一般过程（5）故障树定量分析根据故障树的底事件发生概率计算出故障树顶事件的发生概率，并进行底事件的重要度计算。（6）薄弱环节分析与建议根据故障树定性分析结果和定量分析结果，确定哪些底事件或者最小割集是产品最为薄弱的环节，并提出相应的改进建议。故障树分析的一般过程82故障树的定性分析目的：寻找导致顶事件发生的原因事件及原因事件的组合，即识别导致顶事件发生的所有故障模式集合，帮助分析人员发现潜在的故障，发现设计的薄弱环节，以便改进设计，还可用于指导故障诊断，改进使用和维修方案。故障树的定性分析内容：研究故障树中所有导致顶事件发生的最小割集。

割集：设故障树中有n个底事件x1，x2，…，xn，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。最小割集：若C是一个割集，而任意去掉其中某一个底事件后就不是割集了，这样的割集称为最小割集。最小割集的求法：下行法（分析例）、上行法8384故障树的定量分析目的：求系统的不可靠度，即故障树所有最小割集发生的概率和。定量分析实例85割集：当其中全部底事件都发生时，顶事件必然发生{x1，x2}，{x1，x3}，{x2，x3}，{x4，x5}，{x1，x2，x3}，{x2，x3，x4}，{x1，x4，x5}，{x1，x2，x3，x4}，…等最小割集{x1，x2}{x1，x3}{x2，x3}{x4，x5}。86下行法求最小割集的方法和步骤从顶事件往下逐级进行。若遇到与门，则把与门下面的所有输入事件都排在同一行上；若遇到或门，则把或门下面的所有输入事件都排在一列上。以此类推，逐级往下作，一直到不能分解为止。让每一个底事件依次对应一个素数，为了明确起见，底事件xi对应第i个正素数ni。把每个割集也对应一个数，此数是割集中底事件对应之素数的乘积，于是得到一系列数Nl，N2，……Ns，S为割集总数。且认为Ni（i＝1，2，……S）已按由小到大排好，把这些数依次相除，若Nl除得尽N2，则说明N2是割集而不是最小割集，N2可以去掉。这样一步步作下去，最后得到的一些数都是不能相互整除的，它们相对应的割集就是所求的最小割集。878889分析实例90x1=2x2