失效模式及影响分析法

失效模式及影响分析法（FMEA）是一种以定性分析为主的分析方法，其主要目的是通过系统地分析设备、零部件、元器件等所有可能的故障模式、故障原因及后果，发现系统设计中潜在的薄弱环节，以便采取有效措施，保证系统（装备）的可靠性。FMEA这一系统化的可靠性分析方法，是非常有效的可靠性保证技术，对于大系统的研制更具有特殊意义。

由于FMEA主要是一种定性分析方法，不需要什么高深的数学理论，因而不为可靠性数学家所重视。也正是因为它不需要什么高深的数学理论，易于掌握和推广而倍受工程界的重视。从某种意义上说，它比别的依赖于基础数据的定量分析方法更接近现实发展情况。它不需要为了数学处理的方便而将实际问题过分简化，同时还可以考虑诸如人为失误、相依失效、多态失效和软件可靠性等问题。因而，它的应用十分广泛。目前在美国，FMEA在许多重要领域被当局明确规定为设计人员必须掌握的技术，FMEA资料被视为不可缺少的设计资料。鉴于FMEA是一种重要的可靠性保证措施，我国有关部门也制订了有关的国家标准，要求将FMEA列为必不可少的设计文件。

5.1.1 FMEA分类

FMEA可以分为两大类型，即设计FMEA和过程FMEA两类。设计FMEA又包含功能FMEA、硬件FMEA、嵌入式软件FMEA和损坏模式及影响分析（DMEA）四种类型。

1）硬件FMEA

硬件FMEA是根据系统的功能框图和可靠性框图，对组成系统的各个单元可能发生的所有故障模式及其对系统功能的影响进行分析，并列出表格。它适合于从零件级分析开始，自下而上地进行分析，但也可以由任一级开始自下而上或自上而下进行分析。硬件FMEA是一种较为严格和周密的分析方法。

2）功能FMEA

复杂系统中的每一个分系统或单元都有一定的设计功能，每一种功能就是一项输出。逐一列出这些输出，分析它们的故障模式及对系统功能的影响，即称为功能FMEA。对大系统，一般要分级自上而下地采用功能方法进行分析。但也可以从任一级结构开始自上而下或自下而上地进行分析。功能分析法比硬件法要简单些，但它可能会遗漏或忽略某些故障模式。

3）软件FMEA

软件FMEA主要是在软件开发阶段的早期，通过识别软件故障模式，研究分析各种故障模式产生的原因及其造成的后果，寻找消除和减少其有害后果的方法，以尽早发现潜在的问题，并采取相应的措施，从而提高软件的可靠性和安全性。

4）损坏模式及影响分析（DMEA）

损坏模式及影响分析（DMEA）也属FMEA中的一种分析方法，其目的是为武器装备的生存力和易损性的评估提供依据。DMEA是确定战斗损伤所造成的损坏程度，以提供因威胁机理所引起的损坏模式对武器装备执行任务功能的影响，进而有针对性地提出设计、维修、操作等方面的改进措施。

5）过程FMEA

过程FMEA可应用于装备生产过程、使用操作过程、维修过程、管理过程等。目前应用较多和比较成熟的是装备加工过程的工艺FMEA。工艺FMEA的目的是在假定装备设计满足要求的前提下，针对装备在生产过程中每个工艺步骤可能发生的故障模式、原因及其对装备造成的所有影响，按故障模式的风险优先数（RPN）值的大小，对工艺薄弱环节制定改进措施，并预测或跟踪采取改进措施后减少RPN值的有效性，使RPN达到可接受的水平，进而提高装备的质量和可靠性。

FMEA是装备可靠性分析的一个重要的工作项目，也是开展维修性分析、安全性分析、测试性分析和保障性分析的基础。在装备寿命周期各阶段，采用FMEA的方法及目的略有不同（见表5- 1）。虽然各个阶段FMEA的形式不同，但根本目的均是从不同角度发现装备的各种缺陷与薄弱环节，并采取有效的改进和补偿措施以提高其可靠性水平。

表5-1 在装备寿命周期各阶段的FMEA方法

装备的设计FMEA工作应与装备的设计同步进行。装备在论证与方案阶段、工程研制阶段的早期主要考虑装备的功能组成，对其进行功能FMEA；当装备在工程研制阶段、定型阶段，主要是采用硬件（含DMEA）、软件的FMEA。随着装备设计状态的变化，应不断更新FMEA，以及时发现设计中的薄弱环节并加以改进。

过程FMEA是装备生产工艺中运用FMEA方法的分析工作，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。

在装备使用阶段，利用使用中的故障信息进行FMEA，以及时发现使用中的薄弱环节并加以纠正。

5.1.2 FMEA法的程序

根据装备寿命周期不同阶段的需求，以及对被分析对象的技术状态、信息量等情况，选取一种或多种FMEA方法进行分析。本章重点介绍硬件FMEA方法的程序，其他FMEA法的程序可查阅GJB/Z391—2006。

1）系统定义和绘出功能框图、可靠性框图

以设计文件为依据，从功能、环境条件、工作时间、故障定义等各方面全面确定系统的定义，并确定每一部件与接口应有的工作参数或功能，列出系统任务剖面内的每一种工作模式。

确定FMEA的最低级别的单元（如零部件、组件、设备等）、列出它们的基本组成单元的每一种故障模式。针对每一种工作模式分别绘出系统的功能框图和可靠性框图。功能框图和可靠性框图的单元为FMEA所确定的最低级别的单元。

2）故障模式分析

故障模式分析的目的是找出装备所有可能出现的故障模式。当选用功能FMEA时，根据系统定义中的功能描述、故障判据的要求，确定其所有可能的功能故障模式，进而对每个功能故障模式进行分析；当选用硬件FMEA时，根据被分析装备的硬件特征，确定其所有可能的硬件故障模式（如电阻器的开路、短路和参数漂移等），进而对每个硬件故障模式进行分析。

在进行FMEA时，一般可以通过统计、试验、分析、预测等方法获取装备的故障模式。对采用现有的装备，可从该装备在过去的使用中所发生的故障模式为基础，再根据该装备使用环境条件的异同进行分析修正，进而得到该装备的故障模式；对采用新的装备，可根据该装备的功能原理和结构特点进行分析、预测，进而得到该装备的故障模式，或以与该装备具有相似功能和相似结构的装备所发生的故障模式作为基础，分析判断该装备的故障模式；对引进国外装备，应向外商索取其故障模式，或从相似功能和相似结构装备中发生的故障模式作基础，分析判断其故障模式。对常用的元器件、零组件可从国内外某些标准、手册中确定其故障模式。

表5-2、表5-3所列为分析装备可能的故障模式提供了依据。表5-2内容较粗，适合于装备设计初期的故障模式分析；表5- 3内容较详细，适用于装备详细设计的故障模式分析。

表5-2 典型的故障模式（简略的）

表5-3 典型的故障模式（较详细的）

（续表）

需要说明的是，硬件法分析时，如全面分析系统中每一零部件、元器件的一切可能的故障模式及其原因，可以获得全面完整的信息，但需要大量的时间和人力。对于大系统不易做到。这时，我们可依据功能框图和可靠性框图，首先确定哪些部件发生故障可能造成灾难性或严重性后果的系统故障。分析部件的输入与输出参数，确定系统故障模式是由哪些“参数故障模式”造成的，然后分析每种参数故障模式是由哪些元器件故障模式造成的。

故障模式分析时要注意以下事项：

（1）应区分功能故障和潜在故障。功能故障是指装备或装备的一部分不能完成预定功能的事件或状态；潜在故障是指装备或装备的一部分将不能完成预定功能的事件或状态，它是指示功能故障将要发生的一种可鉴别（人工观察或仪器检测）的状态。如轮胎磨损到一定程度（可鉴别的状态，属潜在故障）将发生爆胎故障（属功能故障）。

（2）装备具有多种功能时，应找出该装备每个功能的全部可能的故障模式。

（3）复杂装备一般具有多种任务功能，则应找出该装备在每一个任务剖面下每一个任务阶段可能的故障模式。

3）故障原因分析

故障原因分析的目的是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：一是从导致装备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；二是从外部因素（如其他装备的故障、使用、环境和人为因素等）方面找装备发生故障模式的间接原因。

故障原因分析时要注意以下几个方面：

（1）正确区分故障模式与故障原因。故障模式一般是可观察到的故障表现形式，而故障模式直接原因或间接原因是设计缺陷、制造缺陷或外部因素所致。

（2）应考虑装备相邻约定层次的关系。因为下一约定层次的故障模式往往是上一约定层次的故障原因。

（3）当某个故障模式存在两个以上故障原因时，在FMEA表“故障原因”栏中均应逐一注明。

4）故障影响及严酷度类别（或等级）分析

故障影响分析的目的是找出装备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。一般情况下，故障模式的影响分为三级：局部影响、高一层次影响和最终影响，其定义如表5-4所示。

表5-4 故障影响分级表

故障影响的严酷度类别应按每个故障模式的最终影响的严重程度进行确定。故障模式的严酷度类别（或等级）是根据故障模式最终可能出现的人员伤亡、任务失败、装备损坏（或经济损失）和环境损害等方面的影响程度进行确定的。常用的严酷度类别的定义如表5-5所示。

表5-5 装备常用的严酷度类别及定义

5）确定故障模式的检测方法与设计改进措施

故障检测方法分析的目的是为装备的维修性与测试性设计以及维修工作分析等提供依据。故障检测方法的主要内容一般包括：目视检查、原位检测、离位检测等，其手段如机内测试（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。故障检测一般分为事前检测与事后检测两类，对于潜在故障模式，应尽可能在设计中采用事前检测方法。

设计改进与使用补偿措施分析目的是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，进而提高装备的可靠性。设计改进与使用补偿措施的主要内容：

（1）设计改进措施。当装备发生故障时，应考虑是否具备能够继续工作的冗余设备；安全或保险装置（例如监控及报警装置）；替换的工作方式（例如备用或辅助设备）；可以消除或减轻故障影响的设计改进（例如优选元器件、热设计、降额设计等）。

（2）使用补偿措施。为了尽量避免或预防故障的发生，在使用和维护规程中规定的使用维护措施。一旦出现某故障后，操作人员应采取的最恰当的补救措施等。

6）填写FMEA表格，写出分析报告

分析报告要总结设计上无法改正的问题，并说明预防故障或控制故障危险性的必要措施。表5-6是比较典型的FMEA表格。具体实施单位和部门可以根据自己的实际需要和条件来提出自己的FMEA表格，但对一个系统来说必须有统一的表格。

表5-6 功能及硬件故障模式及影响分析（FMEA）表