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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2022年11月,汽车产品可靠性工程技术陈晓彤,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,可靠性工程技术可靠性建模和计算技术,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,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,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。,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,集成电路,电子产品可靠性预计,集成电路技术类型工作环境管脚数和位数工作应力质量级别封装类型,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： 可靠性参数计算 薄弱环节分析 案例链接,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,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,机械结构产品可靠性计算可靠性量化,机械结构产品可靠性预计步骤,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,机械结构产品可靠性预计步骤 建立有限元模型，进行强度计算,应力强度干涉分析机械结构,机械零件,构成特征材料尺寸,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,应力强度干涉分析机械结构机械零件构成特征应力特征构造数学模,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 。,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：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。,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,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：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。,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、,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XY，即应力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：相应的累积失效概率可以表示为：,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,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。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。,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,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+)组合法响应面蒙特卡罗方法AMV+ 自适应重要抽样法 (AIS),概率分析方法随机抽样方法,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：,案例：燃气涡轮发动机转子风险评估分析单位：SWRI,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:,案例：飞机操纵杆寿命分布计算分析单位:SWRI,系统任务可靠性计算,R1R2R3R4R5RTotal = f (R1, R2,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,案例四机械结构可靠性分析 客户：北京理工大学,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,内 容可靠性建模和计算技术,什么是 FMEA？,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。,什么是 FMEA？故障模式影响分析（Potential Fa,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。,FMEA 的历史二十世纪六十年代，起源于Apoll项目，NA,风险来源归类,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,风险来源归类风险的发生是有概率的，但是是一定会发生的设计上的,FMEA 的类型,设计上的缺陷,过程中的不足,“不正确”的使用,服务相关,风险来源,过程 FMEA (p-FMEA),应用 FMEA (a-FMEA),服务 FMEA (s-FMEA),FMEA 的类型设计上的缺陷过程中的不足“不正确”的使用服务,常规的设计思路,当前是怎么设计的 ？,可能会发生哪些问题 ？,这些问题会导致什么后果 ？,当前采用什么办法控制 ？,效果如何 ？,还需要做什么 ？,过去发生过什么问题？还会发生什么问题？经验积累,设计准则设计经验冗余设计工程计算试验确认,进一步分析试验确认设计修改,实际上这就是FMEA ！,常规的设计思路当前是怎么设计的 ？可能会发生哪些问题 ？这些,FMEA的思路,风险在那里？,设计缺陷过程问题使用问题服务问题,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？,风险评价风险排序,要解决哪些风险？,控制措施是什么？,效果如何？,相对定量评价RPN风险1、风险2.,排在前面的资源允许的可以解决的,谁来做？什么时候做？,预计效果试验效果实际效果,FMEA的思路风险在那里？设计缺陷风险的原因是什么？风险评价,FMEA 的分析表格,FMEA 的分析表格,简单说明,输入是什么？,输入如何出错？,能做些什么？,多坏？,频度？,多好？,简单说明输入是什么？输入如何出错？能做些什么？对输出的影响是,故障模式分析,故障模式分析故障模式名称代号故障模式名称代号故障模式名称代号,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,故障影响分析对产品本身的影响,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,故障风险分析建立风险判别准则,严重度判别准则,严重度判别准则后果 判定准则：后果的严重度 级别无警告的严重,严重度判别流程,故障,影响安全吗？,严重度判别流程故障影响安全吗？87丧失降低Yes910有预警,DFMEA 分析模板,DFMEA 分析模板分析对象?1分析功能?2如何控制8如何故,DFMEA 实施过程,1. 成立FMEA 小组,2. 收集数据和资料,3. FMEA 会议讨论,4. FMEA 信息输入,5. 纠正措施的落实,6. FMEA 闭环评审,DFMEA 实施过程1. 成立FMEA 小组2. 收集数据和,节流阀体的故障数据收集和整理,节流阀体的故障数据收集和整理序号产品信息故障模式信息故障后果,汽车产品可靠性工程技术课件,FMEA 工作管理,FMEA 工作管理数据管理工作计划闭环管理DMFEA风险控制,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,内 容可靠性建模和计算技术,可靠性评估技术,根据实际取得的故障和使用数据计算产品的可靠性参数值数据要求：来源于现场数据或试验数据环境条件和工作条件基本符合任务剖面的要求评估风险:评估风险来源于样本量的限制用置信度描述评估风险一般采用单侧区间估计,可靠性评估技术根据实际取得的故障和使用数据计算产品的可靠性参,可靠性评估的步骤,数据收集数据的分析和整理故障数据的判定剔除无效数据数据统一和排列分布的假设和检验可靠性参数估计,可靠性评估的步骤数据收集,指数分布产品的可靠性评估,式中：MTBFLMTBF单侧评估下限T累积工作（试验）时间r故障数量卡方分布，可查统计分布表，在Excel中的函数为CHIINV置信度,指数分布产品的可靠性评估式中：,成败型产品的可靠性评估,式中：RL可靠度单侧评估下限n累积试验次数r累积失败FF分布，可查统计分布表，在Excel中的函数为FINV置信度,成败型产品的可靠性评估式中：,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,内 容可靠性建模和计算技术,可靠性设计技术,可靠性设计准则相似产品发生过什么故障当前产品是如何证实的电子产品可靠性设计降额设计容差设计热设计机械产品可靠性设计静强度设计疲劳与断裂磨损与腐蚀,可靠性设计技术可靠性设计准则,3 可靠性试验技术,可靠性试验是对产品的可靠性进行调查、分析和评价的一种手段。 其目的是：筛选：发现产品在设计、材料和工艺方面的各种缺陷，避免有缺陷的产品流到客户；增长：为产品的可靠性设计改进、减少维修和保障费用提供提供信息，通过设计改进提高产品的可靠性水平；鉴定：确认是否符合可靠性定量要求。,3 可靠性试验技术 可靠性试验是对产品的可靠性进,TB=交付时间点TW=耗损时间点,早期失效期,偶然失效区,耗损失效区,Tw,TB,制造缺陷工艺缺陷元件缺陷,固有缺陷,耗损故障,时间,失效率,浴盆曲线,浴盆曲线和可靠性试验,筛选试验,增长试验,鉴定试验,TB=交付时间点早期失效期偶然失效区耗损失效区TwTB制,可靠性试验的分类,Burn InESSHASSHASA,RGTHALTRET,PQTALT,ORT Periodic Retest,可靠性试验的分类可靠性试验工程试验统计试验应力筛选可靠性增长,态度决定一切 ！,修正,模式: 主动的,方法: 尽早开展增长试验,典型结果: 健壮可靠的产品,想方设法让它坏!,观察,模式: 被动的,方法: 可能进行很少的试验,典型结果: 后期问题突出,但愿它不要坏!,态度决定一切 ！修正模式: 主动的方法: 尽早开展增长试验典,可靠性试验是一个循环的过程,初始设计,样机增长试验,分析结果,改进,可靠性试验是一个循环的过程初始设计样机增长试验分析结果改进T,工作下限,工作上限,破坏上限,破坏下限,USL,LSL,技术规范,Step 4,Step 3,Step 1,Step 0,Step 2,连续的应力剖面,“分步实施的应力剖面,ALT / HALT,分步实施以发现：,针对工作界限 (ALT) 针对破坏界限 (HALT) 缺陷和故障模式,加速寿命试验ALT和HALT,设计余度,设计余度,工作下限工作上限破坏上限破坏下限USLLSL技术规范Step,活塞环加速试验,活塞环加速试验,选择合适的应力和等级,重新设计,步进应力到工作极限,步进应力到破坏极限,重新设计,可以/需要改进吗 ？,可以/需要改进吗 ？,确定工作极限,确定破坏极限,Yes,Yes,ALT/HALT 的流程,No,No,高温 低温 温变率 振动等级 电压 通电频率 其他,HALT,选择合适重新设计步进应力步进应力重新设计可以/需要可以/需要,步进应力示意图,步进应力示意图,谢 谢 ！,谢 谢 ！,
