数字设计分析方法--DFMEA分析之系统分析

愤斗的香蕉

理论篇概述设计阶段的失效模式与影响分析（DFMEA)，是一种以预防为主的、从设计阶段把握产品质量的可靠性设计分析技术，在设计研发阶段保证产品在正式生产过程中、交付客户过程中满足产品质量。DFMEA来源于FMEA手册，汽车工业行动小组（AIAG）和德国汽车工业协会（VDA）共同发布的第五版最新FMEA手册，其中对DFMEA的执行步骤有清晰的说明。本篇主要是说明DFMEA分析方法的系统分析阶段，以及DFMEA的应用等理论知识。DFMEA分析DFMEA分析方法可以概括为FMEA七步分析法。


图1 DFMEA七步分析法规划与准备该步骤是为了明确需要进行DFMEA分析的对象和边界，以及DFMEA分析的范围。借助法规要求、技术要求、客户预期、需求文档、相似项目的边界图、相似产品的FMEA分析、材料清单BOM、质量分析展开QFD等方面来定义分析对象的边界。结合技术新颖性和创新程度、相似产品的质量和可靠性历史、设计复杂度、人身和系统安全、信息物理系统、规章法规、相关标准等方面划定DFMEA分析的范围。对于明确分析对象和分析范围，最有效的方式是零件和系统的DFMEA库，其中有相同边界和关联功能的同系列产品DFMEA可很大程度上简化同系列新产品的DFMEA分析工作。明确分析对象和分析范围后，填充DFMEA文档的头部信息，这里面包含一些基本的DFMEA范围信息，可根据实际需要个性化定制这部分信息。结构分析明确分析对象和范围后，为了简化风险分析工作，需要在分析范围内将分析对象拆分成不同的子系统、组件等不同层级的零件，这个步骤就是结构分析。FMEA手册中推荐框图/边界图和结构树两种进行结构分析的方式。相对于框图，边界图对分析边界、外部影响和系统交互的表达更加明确，更容易界定分析主体。制作框图/边界图的步骤可以简化为以下几个步骤：1. 列出所有系统组件和接口组件并描述其特征2. 根据组件连接关系重新排布组件并用带箭头的虚实线表示连接关系，不同颜色代表物理接触、能量传输、信息传输、材料交互等连接关系3. 添加相邻系统和连接以及其他输入，使用带箭头的虚实线表示连接关系。
图2 框图/边界图实例相对于框图/边界图，使用结构树进行结构分析，独立组件之间的层级依赖关系更加清晰，更便于后续的功能分析和失效分析。
图3 结构树分析实例功能分析明确分析对象和分析范围，拆分和重组对象以及明确重组后对象的功能，均属于系统分析。结构分析后，明确独立组件的输入和连接关系，为了评估分析对象于功能或特性需求方面存在的设计风险，需要分析整个系统和每个组件的功能，确定需求和每个组件之间的合理匹配，这就是功能分析。功能描述每个系统或组件输入和输出之间的关系，而每个系统或组件可以包含多个功能。对于功能的描述，FMEA手册推荐使用现代时的动词+宾语的组合方式，例如传递能量、控制速度等。除了主要功能之外，系统或组件还包括接口功能、诊断功能和可服务性功能。功能的定义与需求相关，需求分成两组——作为功能的性能判断和测量依据的功能需求和对设计有限制作用的非功能需求。而需求的来源可以是规章法规、工业标准，也可以是客户需求或者内部产品定义。针对具备新应用条件的单个主要功能，FMEA手册推荐使用参数图（P图）方法进行功能分析，明确功能的输入、期望输出、可控影响因素、噪声因素和非预期输出等。这些功能分析的结果会体现在验证计划中。
图4 参数图实例另外，对于多个组件功能之间的交互，FMEA手册推荐使用功能树/网络或者DFMEA功能分析表格的方式分析功能。这些分析方法直接展现系统与组件在功能上的依赖性，即结构上没有层级依赖性，功能上也没有依赖性。在确定组件功能时，需要明确两个问题——低层级组件功能如何共同实现高层级组件功能，以及对于高层级组件，低层级组件功能的必要性。
图5 功能树实例[table]
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