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1、概述4 第七章第七章 汽车失效工程分析汽车失效工程分析一. 失效分析概论1. 故障的分级二. 失效模式1. 汽车常见的失效模式2. 零件失效的外在因素 （1）工作条件 包括零件的受力状况和工作环境； （2）设计制造 设计不合理、选材不当、制造工艺 不当等； （3）使用维修三. 失效机理分析及失效预防技术1. 材料失效机理分类2. 磨损失效机理及其预防3. 断裂失效机理及其预防（1）（2） 1） 2） 3）4. 腐蚀失效机理及其预防（1）（2）5. 变形失效机理及其预防（1）（2）零件变形失效影响因素及预防四. 失效分析的步骤五. 失效分析的方法六. 失效模式影响及危害度分析FMECA是进行产品
2、可靠性设计的重要分析方法之一，一般为定性分析，也可进行一定的定量分析。 FMECA 是通过分析产品所有可能的失效模式，来确定每一种失效对产品的安全、性能等要求的潜在影响，并按其影响的严重程度及其发生的概率对失效模式加以分类，鉴别设计上的薄弱环节，以便采取适当措施，消除或减轻这些影响。FMECA的特点在于，即使没有定量的可靠性数据，也能找出产品的不可靠因素。l FMECA优点 简单，基本为定性分析，也可做定量分析 适用于各个行业，各类设计过程有很好的实际效果l FMECA缺点 分析工作量大、费时，对于较复杂的系统，其分析工作十分繁琐因环境条件而异，结论的通用性差 应该针对FMECA建立数据库，充
3、分采用计算机统计、检索和分析。FMECA也可分为：FMEA侧重于定性分析, CA侧重于定量分析（有定性和定量两种）。危害性分析(CA)工作的难度较大，需要有一定的基础和数据。在条件不具备时可不作危害性分析(CA)。FMECA包括以下三个部分： FMA(Failure Mode Analysis)故障模式分析； FEA(Failure Effect Analysis)故障影响分析； CA(Criticality Analysis)危害性分析。 1. 分析的基本方法： 硬件法：列出各个产品，对它们可能的失效形式加以分析。 功能法：每个产品可以完成许多功能，而每一个功能就是一项输出，将输 出一一列出
4、，并对它们的失效模式进行分析。FMEA一般可用于产品的研制、生产和使用阶段，特别应在研制、设计的各阶段中采用。FMEA应在设计的早期阶段就开始进行，以便于对设计的评审、为安排改进措施的先后顺序提供依据。lFMEA分析法2. 分析所需的资料：技术规范、研制方案、设计资料与图纸、可靠性数据等。3. FMEA分析的基本程序：4. FMEA表格 填写表格是FMEA工作的一个重要体现，填入的失效模式至少应就下述典型的失效状态进行分析研究。 提前运行； 在规定的时刻开机失效； 间断地工作； 在规定的时刻关机失效； 工作中输出失效（或消失）； 输出或工作能力下降； 与系统特性有关的其它失效。5. FMEA报
5、告 应将FMEA的主要内容和结果汇编成文，其中包括: 信息来源说明； 被分析对象的定义； 分析层次； 分析方法说明； FMEA表； 、类故障，单点故障清单；（单点故障指能导致系统失效的某一产品失效，即处于串联系统中的元件的失效，若系统中的故障均为单点故障，可不列清单） 遗留问题总结和补偿措施建议。、类故障清单示例序号代号产品或功能标志故障模式严酷度类别注222511涡轮工作叶片危害性分析(CA)（1）危害性分析的目的 按每一失效形式的危害度类别及该失效模式的发生概率所产生的综合影响来对其划等分类，以便全面地评价各潜在失效模式影响。CA是FMEA的补充和扩展，未进行FMEA，不能进行CA。（2）
6、分析方法相对于FMEA而言，CA侧重于定量分析，当然具体方法包括定性分析和定量分析两种。定性分析方法在不具备产品可靠性数据（或失效率）时，可按失效模式发生的大致概率来评价FMEA 中确定的失效模式。l CA分析法失效模式发生的概率等级可按以下方法划分： A级：经常发生的事件，概率P20； B级：很可能发生的事件，10P20； C级：偶然发生的事件，1P10； D级：很少发生的事件，0.1P1； E级：极不可能发生的事件，0P0.1；危害性分析(CA)定量分析方法失效模式危害度Cm计算式中：lp失效率（1/h) aj产品以模式j发生失效的频数比，第j个失效模式的危害度为：bj模式j发生并导致系统
7、失效的条件概率，即 bjP(FsFj) t 产品在可能出现模式j失效状态下的工作时间（或循环次数）注：bj由分析人员判断，实际丧失 bj1，很可能丧失0.1 bj1， 有可能丧失0 bj 0.1 ，无影响 bj 0危害性分析(CA)元件的危害度Cr式中：n该元件在相应严酷度类别下的失效模式数。 Cr 是元件就某个特定的严酷度类别和任务阶段而言的。究竟选择哪种分析方法，应依据具体情况而决定。危害性分析(CA)（3）危害性分析基本程序 填写CA表格，17栏同FMEA表，对于定性的CA，仅填至第8栏；对于定量的CA，应填满各栏。 绘制危害性矩阵。危害度增大方向危害性分析(CA)l FMECA报告 相
8、应的FMEA 报告(含相应的FMEA 表，、类故障，单点故障清单) 对FMEA中的失效模式应给出其危害度或概率等级 CA表 危害性矩阵与危害性顺序表 关键件清单危害性分析(CA)什么是故障树？什么是故障树？它是把所研究系统的它是把所研究系统的最不希望发生的故障状态最不希望发生的故障状态作为故障分析的作为故障分析的目标目标，然后，然后寻找寻找直接导致这一故障发生的全部因素直接导致这一故障发生的全部因素，再找出造成下一级事件发生的全，再找出造成下一级事件发生的全部直接因素，一直追查到那些原始的、其故障机理或概率分布是已知的，部直接因素，一直追查到那些原始的、其故障机理或概率分布是已知的，因而毋需再
9、深究的因素为止。因而毋需再深究的因素为止。故障树故障树是表示事件因果关系的树状逻辑图。是表示事件因果关系的树状逻辑图。故障树分析故障树分析(FTA)就是以故障树就是以故障树(FT)为模型对系统进行可靠性分析的方法。为模型对系统进行可靠性分析的方法。在系统设计过程中，通过对可能造成系统故障的各种原因进行分析，由总体在系统设计过程中，通过对可能造成系统故障的各种原因进行分析，由总体至部分按倒立树状逐级细化分析，画出逻辑框图至部分按倒立树状逐级细化分析，画出逻辑框图(故障树故障树)，从而确定系统故，从而确定系统故障原因的各种可能组合方式或其发生概率。障原因的各种可能组合方式或其发生概率。七. 故障树
10、分析（FTA）用相应的用相应的符号符号代表这些事件，再用适当的代表这些事件，再用适当的逻辑门逻辑门把顶事件、中把顶事件、中间事件和底事件联结成间事件和底事件联结成倒立树形图倒立树形图。这样的树形图称为故障树，。这样的树形图称为故障树，用以表示系统的特定顶事件与它的子系统或各个元件故障事件用以表示系统的特定顶事件与它的子系统或各个元件故障事件之间的逻辑结构关系。之间的逻辑结构关系。以故障树为工具，分析系统发生故障的各种途径，计算各个可以故障树为工具，分析系统发生故障的各种途径，计算各个可靠性特征量，对系统的安全性或可靠性进行评价的方法称为靠性特征量，对系统的安全性或可靠性进行评价的方法称为故故障
11、树分析法障树分析法(FTA)。 最不希望发生的事件称为最不希望发生的事件称为顶事件顶事件；毋需再深入研究的事件（仅作为导致其它事件发生的原因，亦毋需再深入研究的事件（仅作为导致其它事件发生的原因，亦即顶事件发生的根本原因）称为即顶事件发生的根本原因）称为底事件底事件，介于顶事件与底事件之间的一切事件（中间结果）为介于顶事件与底事件之间的一切事件（中间结果）为中间事件中间事件，故障树分析法的特点：故障树分析法的特点： 根据上述特点，故障树分析法适合于对复杂的动态系统进行可靠根据上述特点，故障树分析法适合于对复杂的动态系统进行可靠性分析。性分析。 （3）多目标、可计算。在设计中，可帮助弄清系统的故
12、障模式，）多目标、可计算。在设计中，可帮助弄清系统的故障模式，找出系统的薄弱环节。由于故障树是由特定的逻辑门和一定的事找出系统的薄弱环节。由于故障树是由特定的逻辑门和一定的事件构成的逻辑图，因此可以用电子计算机来辅助建树，并进行定件构成的逻辑图，因此可以用电子计算机来辅助建树，并进行定性分析和定量计算。性分析和定量计算。（2）故障树分析法，不但可用于对系统的可靠性、安全性进行）故障树分析法，不但可用于对系统的可靠性、安全性进行定性分析和定量计算，而且还可定量考虑造成系统故障的各种因定性分析和定量计算，而且还可定量考虑造成系统故障的各种因素。素。（1）由于它是一种图形演绎方法，故直观、形象。）由
13、于它是一种图形演绎方法，故直观、形象。EFL2L1S1S2B供水系统供水系统如下图所示供水系统，如下图所示供水系统，E为水箱，为水箱，F为阀门，为阀门，L1和和L2为水泵，为水泵，S1和和S2为支路阀门。此系统的规定功能是向为支路阀门。此系统的规定功能是向B侧供水，侧供水，“B侧无水侧无水”是是一个不希望发生的事件，即系统的故障状态。一个不希望发生的事件，即系统的故障状态。是如何建立故障树？如何建立故障树？ 2选择和确定顶事件选择和确定顶事件 通常把最不希望发生的系统故障状态作通常把最不希望发生的系统故障状态作为顶事件。它可以是借鉴其他类似系统发生过的重大故障事件，为顶事件。它可以是借鉴其他类
14、似系统发生过的重大故障事件，也可是指定的事件。任何需要分析的系统故障事件都可作为顶事也可是指定的事件。任何需要分析的系统故障事件都可作为顶事件。但顶事件必须有明确的含义，而且一定是可以分解的。件。但顶事件必须有明确的含义，而且一定是可以分解的。1熟悉系统熟悉系统 在建树之前，应该对所分析的系统进行深入的了在建树之前，应该对所分析的系统进行深入的了解。为此，需要广泛收集有关系统的设计、运行、流程图、设解。为此，需要广泛收集有关系统的设计、运行、流程图、设备技术规范等技术文件和资料，并进行仔细的分析研究。备技术规范等技术文件和资料，并进行仔细的分析研究。 3定义故障树的边界条件定义故障树的边界条件
15、 即要对系统的某些组成部分即要对系统的某些组成部分(部件、部件、子系统子系统)的状态、环境条件等作出合理的假设。这些假设可使故的状态、环境条件等作出合理的假设。这些假设可使故障树分析抓住重点，同时也明确了建树范围，即故障树建到何障树分析抓住重点，同时也明确了建树范围，即故障树建到何处为止。处为止。在确定顶事件和边界条件确定之后，就可以从顶事件出发展开故在确定顶事件和边界条件确定之后，就可以从顶事件出发展开故障树，找出导致顶事件的所有可能的直接原因，作为下一级中间障树，找出导致顶事件的所有可能的直接原因，作为下一级中间事件，把它们用相应的事件符号表示出来，并用适合于它们之间事件，把它们用相应的事
16、件符号表示出来，并用适合于它们之间逻辑关系的逻辑门符号与顶事件相连接，然后逐级向下发展，构逻辑关系的逻辑门符号与顶事件相连接，然后逐级向下发展，构成一棵倒置的故障树。成一棵倒置的故障树。4. 构造发展故障树构造发展故障树(1) 要有层次地逐级进行分析。可以按系统的结构层次，也可要有层次地逐级进行分析。可以按系统的结构层次，也可按系统的功能流程或信息流程逐级分析。按系统的功能流程或信息流程逐级分析。(2) 找出所有矩形事件的找出所有矩形事件的全部、直接全部、直接起因。起因。(3) 对各级事件的定义要简明、确切。对各级事件的定义要简明、确切。(4) 正确运用故障树符号。正确运用故障树符号。(5)
17、所有中间事件都被分解为底事件时，故障树建成。所有中间事件都被分解为底事件时，故障树建成。 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失效模式有可能的失效模式失效谱失效谱，或找出使系统成功的，或找出使系统成功的成功谱成功谱。换句话说，就是找出故障树的换句话说，就是找出故障树的全部最小割集全部最小割集或或全部最小路集全部最小路集。 割集割集是能使顶事件是能使顶事件(系统故障系统故障)发生的一些底事件的集合，发生的一些底事件的集合，当这当这些底事件同时发生，顶事件必然发生些底事件同时发生，顶事件必然发生。如果割集中的任一底事。如果
18、割集中的任一底事件不发生时，顶事件也不发生，这就是件不发生时，顶事件也不发生，这就是最小割集最小割集。一个最小割集代表了系统的一种一个最小割集代表了系统的一种失效模式失效模式。系统的全体最小割集构成了系统的系统的全体最小割集构成了系统的故障谱故障谱。因此，欲保证系统安全、可靠，就必须防止所有最小割集发因此，欲保证系统安全、可靠，就必须防止所有最小割集发生。反之，如果系统发生了不希望的故障事件，则必定至少生。反之，如果系统发生了不希望的故障事件，则必定至少有一个最小割集发生。有一个最小割集发生。 u 故障树定性分析故障树定性分析 下行法求最小割集下行法求最小割集或或与与u 故障树定量分析故障树定
19、量分析 假设故障树由若干假设故障树由若干互相独立的底事件互相独立的底事件构成，底事件和顶事件构成，底事件和顶事件都都只有两种状态只有两种状态，即发生或不发生，也就是说元件和系统都只有，即发生或不发生，也就是说元件和系统都只有两种状态，正常或故障，则根据底事件发生的概率，按故障树的两种状态，正常或故障，则根据底事件发生的概率，按故障树的逻辑结构逐步向上运算，即可求得顶事件发生的概率。逻辑结构逐步向上运算，即可求得顶事件发生的概率。 故障树定量分析的任务是利用故障树这一逻辑图形作为模型，计故障树定量分析的任务是利用故障树这一逻辑图形作为模型，计算或估计算或估计系统顶事件发生的概率系统顶事件发生的概率，从而对系统的可靠性、安全性，从而对系统的可靠性、安全性及风险作出评价。及风险作出评价。计算顶事件发生慨率的方法有多种，这里只介绍最简单的一种计算顶事件发生慨率的方法有多种，这里只介绍最简单的一种结构函数法结构函数法。1与门结构的输出事件发生的概率为：与门结构的输出事件发生的概率为： xi为输入事件、为输入事件、 X为输出事件为输出事件2或门结构的输出事件发生的概率为：或门结构的输出事件发生的概率为： xi为输入事件、为输入事件、 X为输出事件为输出事件
