汽车产品可靠性工程技术.
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FMEA 的历史
二十世纪六十年代，起源于Apoll项目，NASA。 1974年，MIL-STD-1629诞生，美国海军。 1976年，美国国防部确定FMEA所有武器采购的必要活 动。 七十年代后期，美国汽车工业采用FMEA作为风险评估工 具。 八十年代中期，美国汽车工业采用过程FMEA。 1991年，ISO9000 推荐 1994年，QS9000 强制 2001年，FMEA 技术作为风险控制的主要手段之一。
Page 18
案例四－机械结构可靠性分析
客户：北京理工大学 产品：某型号汽车产品的曲轴 目的：
结构可靠性定量计算 案例链接
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Page 19
内容
可靠性建模和计算技术 故障模式影响分析－FMEA 可靠性评估技术 可靠性设计技术 可靠性试验技术
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Page 20
什么是 FMEA？ FM E A
Failure Mode Effect Analysis
故障模式影响分析（Potential Failure Mode and Effects Analysis，简记为FMEA） 是分析系统中每一产品所有可能产生的故障模式及其对 系统造成的所有可能影响，并按每一个故障模式的严重 程度、检测难易程度以及发生频度予以分类的一种归纳 分析方法。
故障模式 名称
变 质 剥 落
代 号
15 16
故障模式 名称
渗 油 漏 气
代 号
39 30
故障模式 名称
摆 头 抖 动
代号 44 45
开 裂
裂 纹 点 蚀
03
04 05
异常磨损
松 动 脱 落
17
18 19
渗 气
漏 水 渗 水
31
32 33
方向漂移
歪 斜 飞 车 窜气、窜 油 油水混合 速度不稳 怠速不稳 调速不稳 功率突降 损 坏
Y g y (Y1 , Y2 ,...,Yn )
其中：Yi表示为影响应力的随机量，如载荷情况、应 力集中、工作温度、润滑状态等等。
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Page 12
应力强度干涉模型
如果产品或零部件的强度 X 小于应力 Y ，则它们就不 能完成规定的功能，称为失效。欲使产品或零部件 在规定的时间内可靠地工作，必须满足义X≥Y，即
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Page 14
概率分析方法
随机抽样方法
标准 蒙托卡罗法 (MC) 重要抽样法 (ISAMF, ISAMR, AIS1 and AIS2) 分层抽样法 (LHS)
解析法
一阶矩法 (FORM) 二阶矩法 (SORM) 响应面法 (RSM) 快速概率积分(FPI) 概率云图法(MV_CONT) 基于均值的方法 (MV, AMV and AMV+)
扭曲变形 12 © 2006 北京运通恒达科技有限公司
错位(位移) 63
故障影响分析
对产品本身的影响 对上级产品的影响 对最终产品的影响 对用户的影响 对环境和法规的影响
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Page 30
故障风险分析
建立风险判别准则
严重度 发生度 检测度
计算风险顺序数
RPN＝严重度×发生度×检测度
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Page 8
应力强度干涉分析－机械结构
构成特征 •材料 •尺寸
机械零件
应力特征 •弯曲应力 •扭转应力
构造数学模型
概率分析方法
变量随机化
可靠度
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Page 9
应力强度干涉模型
机械零件的可靠性设计，就在于揭示应力
及强度的分布规律，合理地建立应力与强度之
风险判别
（一维）严重度 （二维）严重度&发生度风险矩阵 （三维）风险顺序数
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严重度判别准则
后果
无警告的严重 危害 有警告的严重 危害 很高 高 中等 低 很低 轻微 很轻微
判定准则：后果的严重度
严重级别很高。潜在失效模式影响车辆安全运行和/或包含不符合政府法 规情形。失效发生时无预警。 严重级别很高。潜在失效模式影响车辆安全运行和/或包含不符合政府法 规情形。失效发生时有预警。 车辆/系统无法运行（丧失基本功能）。 车辆/系统能运行，但性能下降。顾客很不满意。 车辆/系统能运行，但舒适性/方便性方面失效。顾客不满意。 车辆/系统能运行，但舒适性/方便性方面性能下降。顾客有些不满意。 装配和最后完工/尖响声和卡塔响声不符合要求，多数顾客发现有缺陷 （多于75％）
组合法
响应面＋蒙特卡罗方法 AMV+ ＋ 自适应重要抽样法 (AIS)
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Page 15
案例：燃气涡轮发动机转子风险评估
分析单位：SWRI 分析工具NESSUS,DAWRIN,Patran,Nastran 随机变量：
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Page 16
Z X Y 0
应力Y和强度X是相互独立的随机变量，所以Z也为一 个随机变量，因此，产品或零部件的可靠度可以表 示为：
R P( Z 0)
相应的累积失效概率可以表示为：
F 1 R P( Z 0)
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应力强度干涉模型
机械设计中，由于随机变量X与Y具有相同的量纲，因此，X和Y的 概率密度曲线可以表示在同一坐标系上。
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FMEA的思路
风险在那里？ 风险的原因是什么？ 风险的后果有多严重？ 发生几率有多大？ 当前控制措施是什么？
设计缺陷 过程问题 使用问题 服务问题
风险评价 风险排序
相对定量评价RPN ｛风险1、风险2….｝
要解决哪些风险？
排在前面的 资源允许的 可以解决的
确定关键变量– 更好的资源配置 降低高灵敏度– 最优化设计
简化可靠性测试
最小化满额度测试– 利用试验来验证模型 模拟高费用测试 可以分析更多的变量以及设计方案
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机械结构产品可靠性预计步骤
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 建立有限元模型，进行强度计算 确定可能的失效点 针对每个失效点确定失效函数 确定随机变量 随机变量参数设定 选择概率分析方法 仿真计算 结果分析
从统计分布函数的性质可知，机械工程设计中常用的分布函数的 概率密度曲线，都是以横坐标轴为渐近线的，因此，两概率密度 曲线必定有相交的区域（图1中的阴影线部分），这个区域就是 产品或零部件可能出现失效的区域，称为干涉区。干涉区的面积 愈小，零部件的可靠度就愈高；反之，可靠度愈低。另外，干涉 区的大小也与概率密度函数的离散程度有关，虽然均值相同，但 方差愈大，干涉区的面积愈大，所以可靠度愈低；反之，可靠度 愈高。
可靠性参数计算 薄弱环节分析 案例链接
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机械结构产品可靠性计算
可靠性量化
确定/缩减过于保守的设计 基于风险/成本的设计优化 基于风险/成本的维修计划-- 寿命周期费用的最小化 弥补安全系数不能综合量化可靠性的不足
根据变量的重要度和以及系统的失效模式设计
0
D R E P 推荐的措施 T N 多好
？ 0 输入 是什 么？ 输入如 何出错 ？ 对输出的 影响是什 么？
0
？ 0 0
0 0
0
0
要因是什 么？
0
这些如何发 现或预防？
0
0
0
0
0
0
能做些什 么？
0
0
0
0
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故障模式分析
故障模式 名称
断 裂 碎 裂 代号 01 02
R5
SubSys Rel = f (Asm Rel)
RTotal = f (R1, R2, … RN)
组件可靠度 Asm Rel = f (Comp Rel) (l)(-t) R=e 零件/元器件可靠度 Comp Rel = f (可靠度) l= Ln(R) -t
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案例：飞机操纵杆寿命分布计算
分析单位:SWRI 分析工具:NESSUS,ABAQUS 随机变量:
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系统任务可靠性计算
系统可靠性度 System Rel = f (Subsys Rel)
Goals
Analysis
R1
可靠性关系模型
子系统可靠度
R3
R2 R4
间的力学模型，严格控制失效概率，以满足可 靠性设计要求，因此可以认为应力强度分布干
涉模型是机械零件可靠性预计的基本模型 。
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Page 10
应力强度干涉模型
产品或零部件能够承受以上各种应力的程度，统称 为产品或零部件的强度，用X表示，如果用函数的方 式表示出来可以为：
X f x ( X 1 , X 2 ,..., X n )
其中：Xi为影响强度的随机量，如零部件材料性能、 表面质量、尺寸效应、材料对缺口的敏感性等。
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Page 11
应力强度干涉模型
施加于产品或零部件上的物理量，如应力、压力、 温度、湿度、冲击等等，统称为产品或零部件所受 的应力，用Y表示，用函数的方式表示出来可以为：
46
47 48 49 54 55 56 57 58 59
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烧 蚀
烧 坏 击 穿 塑性变形 拉 伤 龟 裂
06
07 08 09 10 11
压力不当
行程不当 间隙不当 干 涉
20
21 22 23
功能失效
性能衰退 超 标 异 响 过 热 锈 蚀 密封不良
34
35 36 37 38 39 41
发卡(卡死、 抱死、顶 24 死) 失 调 堵 塞 25 26
系统 分系统 车身 门 窗 内装 外装
组件
门内板
玻璃窗
密封条
门锁
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Page 3
可靠性预计技术
可靠性预计是对产品或者系统的可靠性进行定量的估计，
推测其可能达到的可靠性水平，是其从定性考虑转入定 量分析的关键之处，是实施可靠性工程的基础。
可靠性预计是根据组成系统的元器件、零部件的可靠性 来估计的，是一个自下而上、由局部到整体、从小到大 的一种系统综合过程，它需要根据历史产品的可靠性数 据、系统的构成和结构特点、系统的工作环境、元器件 的工作应力和质量级别等因素来进行估计，主要用在产 品的设计阶段。
控制措施是什么？
谁来做？ 什么时候做？
效果如源自文库？
预计效果 试验效果 实际效果 Page 26
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FMEA 的分析表格
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Page 27
简单说明
工序/输入 潜在故障模式 故障影响 S E V 多坏 故障原因 O C 当前控制方法 C 频度？
FMEA 的类型
风险来源
设计上的缺陷
过程中的不足
“不正确”的使用
服务相关
设计FMEA d－FMEA
过 程 FMEA (p-FMEA)
应 用 FMEA (a-FMEA)
服 务 FMEA (s-FMEA)
系 功 设 统 能 计 FMEA
FMEA FMEA
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汽车产品可靠性工程技术
陈晓彤 北京运通恒达科技有限公司 2018年9月
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可靠性工程技术
可靠性建模和计算技术 故障模式影响分析－FMEA 可靠性评估技术 可靠性设计技术 可靠性试验技术
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产品是分层次的
从上到下的层次：系统、子系统、设备、组件、模 块、零部件 在本文中，除了零部件外，任何层次的产品都可以 称为系统，而单元是系统的下级组成部分
常规的设计思路
当前是怎么设计的 ？
可能会发生哪些问题 ？
过去发生过什 设计准则 么问题？ 实际上 设计经验 还会发生什么 冗余设计 这就是 FMEA ！ 问题？ 工程计算 经验积累 试验确认
这些问题会导致什么后果 ？
当前采用什么办法控制 ？
进一步分析 试验确认 设计修改
效果如何 ？
还需要做什么 ？
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Page 22
风险来源归类
设计上的缺陷 过程中的不足 “不正确”的使用 服务相关
风险一定会发生
导致风险损失
风险的发生是有概率的，但是是一定会发生的 我们不可能消除所有的风险 我们的目的是在有限的资源下最大可能地减少风险损失
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Page 4
电子产品可靠性预计
技术类型
管脚数和位数
集成电路
质量级别 工作环境
可靠性预计模型
•GJB299B
•MIL-STD-217F •Bellcore
失效率
工作应力
封装类型
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案例三：电子产品可靠性预计
客户：固安信通铁路信号科技有限公司 产品：集成发码器 目标：
FMEA 的历史
二十世纪六十年代，起源于Apoll项目，NASA。 1974年，MIL-STD-1629诞生，美国海军。 1976年，美国国防部确定FMEA所有武器采购的必要活 动。 七十年代后期，美国汽车工业采用FMEA作为风险评估工 具。 八十年代中期，美国汽车工业采用过程FMEA。 1991年，ISO9000 推荐 1994年，QS9000 强制 2001年，FMEA 技术作为风险控制的主要手段之一。
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案例四－机械结构可靠性分析
客户：北京理工大学 产品：某型号汽车产品的曲轴 目的：
结构可靠性定量计算 案例链接
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内容
可靠性建模和计算技术 故障模式影响分析－FMEA 可靠性评估技术 可靠性设计技术 可靠性试验技术
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什么是 FMEA？ FM E A
Failure Mode Effect Analysis
故障模式影响分析（Potential Failure Mode and Effects Analysis，简记为FMEA） 是分析系统中每一产品所有可能产生的故障模式及其对 系统造成的所有可能影响，并按每一个故障模式的严重 程度、检测难易程度以及发生频度予以分类的一种归纳 分析方法。
故障模式 名称
变 质 剥 落
代 号
15 16
故障模式 名称
渗 油 漏 气
代 号
39 30
故障模式 名称
摆 头 抖 动
代号 44 45
开 裂
裂 纹 点 蚀
03
04 05
异常磨损
松 动 脱 落
17
18 19
渗 气
漏 水 渗 水
31
32 33
方向漂移
歪 斜 飞 车 窜气、窜 油 油水混合 速度不稳 怠速不稳 调速不稳 功率突降 损 坏
Y g y (Y1 , Y2 ,...,Yn )
其中：Yi表示为影响应力的随机量，如载荷情况、应 力集中、工作温度、润滑状态等等。
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应力强度干涉模型
如果产品或零部件的强度 X 小于应力 Y ，则它们就不 能完成规定的功能，称为失效。欲使产品或零部件 在规定的时间内可靠地工作，必须满足义X≥Y，即
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概率分析方法
随机抽样方法
标准 蒙托卡罗法 (MC) 重要抽样法 (ISAMF, ISAMR, AIS1 and AIS2) 分层抽样法 (LHS)
解析法
一阶矩法 (FORM) 二阶矩法 (SORM) 响应面法 (RSM) 快速概率积分(FPI) 概率云图法(MV_CONT) 基于均值的方法 (MV, AMV and AMV+)
扭曲变形 12 © 2006 北京运通恒达科技有限公司
错位(位移) 63
故障影响分析
对产品本身的影响 对上级产品的影响 对最终产品的影响 对用户的影响 对环境和法规的影响
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故障风险分析
建立风险判别准则
严重度 发生度 检测度
计算风险顺序数
RPN＝严重度×发生度×检测度
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应力强度干涉分析－机械结构
构成特征 •材料 •尺寸
机械零件
应力特征 •弯曲应力 •扭转应力
构造数学模型
概率分析方法
变量随机化
可靠度
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应力强度干涉模型
机械零件的可靠性设计，就在于揭示应力
及强度的分布规律，合理地建立应力与强度之
风险判别
（一维）严重度 （二维）严重度&发生度风险矩阵 （三维）风险顺序数
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严重度判别准则
后果
无警告的严重 危害 有警告的严重 危害 很高 高 中等 低 很低 轻微 很轻微
判定准则：后果的严重度
严重级别很高。潜在失效模式影响车辆安全运行和/或包含不符合政府法 规情形。失效发生时无预警。 严重级别很高。潜在失效模式影响车辆安全运行和/或包含不符合政府法 规情形。失效发生时有预警。 车辆/系统无法运行（丧失基本功能）。 车辆/系统能运行，但性能下降。顾客很不满意。 车辆/系统能运行，但舒适性/方便性方面失效。顾客不满意。 车辆/系统能运行，但舒适性/方便性方面性能下降。顾客有些不满意。 装配和最后完工/尖响声和卡塔响声不符合要求，多数顾客发现有缺陷 （多于75％）
组合法
响应面＋蒙特卡罗方法 AMV+ ＋ 自适应重要抽样法 (AIS)
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案例：燃气涡轮发动机转子风险评估
分析单位：SWRI 分析工具NESSUS,DAWRIN,Patran,Nastran 随机变量：
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Z X Y 0
应力Y和强度X是相互独立的随机变量，所以Z也为一 个随机变量，因此，产品或零部件的可靠度可以表 示为：
R P( Z 0)
相应的累积失效概率可以表示为：
F 1 R P( Z 0)
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应力强度干涉模型
机械设计中，由于随机变量X与Y具有相同的量纲，因此，X和Y的 概率密度曲线可以表示在同一坐标系上。
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FMEA的思路
风险在那里？ 风险的原因是什么？ 风险的后果有多严重？ 发生几率有多大？ 当前控制措施是什么？
设计缺陷 过程问题 使用问题 服务问题
风险评价 风险排序
相对定量评价RPN ｛风险1、风险2….｝
要解决哪些风险？
排在前面的 资源允许的 可以解决的
确定关键变量– 更好的资源配置 降低高灵敏度– 最优化设计
简化可靠性测试
最小化满额度测试– 利用试验来验证模型 模拟高费用测试 可以分析更多的变量以及设计方案
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机械结构产品可靠性预计步骤
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 建立有限元模型，进行强度计算 确定可能的失效点 针对每个失效点确定失效函数 确定随机变量 随机变量参数设定 选择概率分析方法 仿真计算 结果分析
从统计分布函数的性质可知，机械工程设计中常用的分布函数的 概率密度曲线，都是以横坐标轴为渐近线的，因此，两概率密度 曲线必定有相交的区域（图1中的阴影线部分），这个区域就是 产品或零部件可能出现失效的区域，称为干涉区。干涉区的面积 愈小，零部件的可靠度就愈高；反之，可靠度愈低。另外，干涉 区的大小也与概率密度函数的离散程度有关，虽然均值相同，但 方差愈大，干涉区的面积愈大，所以可靠度愈低；反之，可靠度 愈高。
可靠性参数计算 薄弱环节分析 案例链接
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机械结构产品可靠性计算
可靠性量化
确定/缩减过于保守的设计 基于风险/成本的设计优化 基于风险/成本的维修计划-- 寿命周期费用的最小化 弥补安全系数不能综合量化可靠性的不足
根据变量的重要度和以及系统的失效模式设计
0
D R E P 推荐的措施 T N 多好
？ 0 输入 是什 么？ 输入如 何出错 ？ 对输出的 影响是什 么？
0
？ 0 0
0 0
0
0
要因是什 么？
0
这些如何发 现或预防？
0
0
0
0
0
0
能做些什 么？
0
0
0
0
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故障模式分析
故障模式 名称
断 裂 碎 裂 代号 01 02
R5
SubSys Rel = f (Asm Rel)
RTotal = f (R1, R2, … RN)
组件可靠度 Asm Rel = f (Comp Rel) (l)(-t) R=e 零件/元器件可靠度 Comp Rel = f (可靠度) l= Ln(R) -t
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案例：飞机操纵杆寿命分布计算
分析单位:SWRI 分析工具:NESSUS,ABAQUS 随机变量:
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系统任务可靠性计算
系统可靠性度 System Rel = f (Subsys Rel)
Goals
Analysis
R1
可靠性关系模型
子系统可靠度
R3
R2 R4
间的力学模型，严格控制失效概率，以满足可 靠性设计要求，因此可以认为应力强度分布干
涉模型是机械零件可靠性预计的基本模型 。
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应力强度干涉模型
产品或零部件能够承受以上各种应力的程度，统称 为产品或零部件的强度，用X表示，如果用函数的方 式表示出来可以为：
X f x ( X 1 , X 2 ,..., X n )
其中：Xi为影响强度的随机量，如零部件材料性能、 表面质量、尺寸效应、材料对缺口的敏感性等。
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应力强度干涉模型
施加于产品或零部件上的物理量，如应力、压力、 温度、湿度、冲击等等，统称为产品或零部件所受 的应力，用Y表示，用函数的方式表示出来可以为：
46
47 48 49 54 55 56 57 58 59
Page 29
烧 蚀
烧 坏 击 穿 塑性变形 拉 伤 龟 裂
06
07 08 09 10 11
压力不当
行程不当 间隙不当 干 涉
20
21 22 23
功能失效
性能衰退 超 标 异 响 过 热 锈 蚀 密封不良
34
35 36 37 38 39 41
发卡(卡死、 抱死、顶 24 死) 失 调 堵 塞 25 26
系统 分系统 车身 门 窗 内装 外装
组件
门内板
玻璃窗
密封条
门锁
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可靠性预计技术
可靠性预计是对产品或者系统的可靠性进行定量的估计，
推测其可能达到的可靠性水平，是其从定性考虑转入定 量分析的关键之处，是实施可靠性工程的基础。
可靠性预计是根据组成系统的元器件、零部件的可靠性 来估计的，是一个自下而上、由局部到整体、从小到大 的一种系统综合过程，它需要根据历史产品的可靠性数 据、系统的构成和结构特点、系统的工作环境、元器件 的工作应力和质量级别等因素来进行估计，主要用在产 品的设计阶段。
控制措施是什么？
谁来做？ 什么时候做？
效果如源自文库？
预计效果 试验效果 实际效果 Page 26
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FMEA 的分析表格
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简单说明
工序/输入 潜在故障模式 故障影响 S E V 多坏 故障原因 O C 当前控制方法 C 频度？
FMEA 的类型
风险来源
设计上的缺陷
过程中的不足
“不正确”的使用
服务相关
设计FMEA d－FMEA
过 程 FMEA (p-FMEA)
应 用 FMEA (a-FMEA)
服 务 FMEA (s-FMEA)
系 功 设 统 能 计 FMEA
FMEA FMEA
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汽车产品可靠性工程技术
陈晓彤 北京运通恒达科技有限公司 2018年9月
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可靠性工程技术
可靠性建模和计算技术 故障模式影响分析－FMEA 可靠性评估技术 可靠性设计技术 可靠性试验技术
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产品是分层次的
从上到下的层次：系统、子系统、设备、组件、模 块、零部件 在本文中，除了零部件外，任何层次的产品都可以 称为系统，而单元是系统的下级组成部分
常规的设计思路
当前是怎么设计的 ？
可能会发生哪些问题 ？
过去发生过什 设计准则 么问题？ 实际上 设计经验 还会发生什么 冗余设计 这就是 FMEA ！ 问题？ 工程计算 经验积累 试验确认
这些问题会导致什么后果 ？
当前采用什么办法控制 ？
进一步分析 试验确认 设计修改
效果如何 ？
还需要做什么 ？
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风险来源归类
设计上的缺陷 过程中的不足 “不正确”的使用 服务相关
风险一定会发生
导致风险损失
风险的发生是有概率的，但是是一定会发生的 我们不可能消除所有的风险 我们的目的是在有限的资源下最大可能地减少风险损失
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电子产品可靠性预计
技术类型
管脚数和位数
集成电路
质量级别 工作环境
可靠性预计模型
•GJB299B
•MIL-STD-217F •Bellcore
失效率
工作应力
封装类型
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案例三：电子产品可靠性预计
客户：固安信通铁路信号科技有限公司 产品：集成发码器 目标：