并行工程在失效分析中应用的可行性及实施要素分析.doc

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1、并行工程在失效分析中应用的可行性及实施要素分析来源：开关柜无线测温 1前言并行工程（Concurrent Engineering, CE）1是美国在80年代末提出、90年代重点发展的武器研制工程技术，是一种用来综合、协调产品的设计及其相关过程包括制造和保障工程的系统方法，它要求研制人员从一开始就考虑从方案设计直到废弃的产品寿命周期的所有要素，包括质量、费用、进度和用户要求。并行工程在产品研制中提高产品效能和节省寿命周期费用方面已被理论和实践所证明。失效分析作为涉及面极为广泛的学科，在实践过程中又受到方方面面的影响，要达到失效分析结论“定位准确，机理清楚，模拟再现，举一反三”确非易事。如能在失效

2、分析中采用并行工程的基本思路，可以提高失效分析结论的准确性和预防措施的实用性。本文在分析现代失效分析基本特征的基础上，就失效分析中运用“并行过程”的可行性进行了分析，并探讨了实施要素以及具体的实施方法。2失效分析发展的三个阶段及现代失效分析的基本特征失效分析的发展历程，大体经历了与简单手工生产基础相适应的古代失效分析，以大机器工业为基础的近代失效分析和以系统理论为指导的现代失效分析三个重要的历史阶段2。古代失效分析受当时生产力的制约，基本处于现象描述和经验总结阶段，其分析技术主要靠零星、分散、宏观的经验世代相传。失效分析的发展是通过缓慢的进化过程而发展起来的，在当时经济发展中所起的作用也不突出

3、。在大机器工业基础上发展起来的近代失效分析，为仲裁事故和提高产品质量起了很大作用，但由于其分析手段主要限于宏观痕迹以及对材质的宏观检验，因此这一时期的失效分析虽得到了一定的重视与发展，但人们不可能从宏观、微观上揭示产品失效的物理本质与化学本质。这一问题的解决也只是在本世纪50年代末电子显微学及其它相关学科得到高速发展后才成为可能。现代失效分析阶段从本世纪50年代末开始。随着电子行业兴起，首先在电子产品领域里将失效分析的成果应用于产品的可靠性设计，它以数理统计分析为基础，使得失效分析进入了一个新阶段。同时，由于科学技术发展突飞猛进，作为失效分析基础学科材料科学与力学的迅猛发展，断口观察仪器的长足

4、进步，特别是分辨率高、放大倍数大、景深长的透射和扫描电子显微镜的先后问世，为失效分析技术向纵深发展创造了有利条件，铺平了道路，并取得了辉煌的成果。同时由于大型运载工具尤其是航空装备的广泛应用，各种失效造成的事故后果越来越大，影响越来越严重，反过来又大大促进了失效分析的迅猛发展。近半个世纪所积累的失效分析知识与技术，是千百倍于失效分析前两个阶段的总和。但是这种知识并未就此终结，它必然随着人类生产实践的发展和科技的进步而发展。现代失效分析可细分为两个时期。从60年代到80年代中期为第一时期。在这一时期，由于扫描电子显微镜的问世，使粗糙断口在高倍下的直接观察、尤其是断口的细节分析成为可能，因而其失效

5、分析基本上是围绕断裂特征与性质分析来进行的。加之在本世纪60年代之前所进行的失效分析基本上限于材料的组织和性能分析、宏观的痕迹分析和材质的冶金检验，因此这一时期的失效分析仅仅局限于从材质冶金等方面去寻找引起断裂失效的原因，而对失效件的力学分析则被认为是结构设计考虑的问题。随着科学技术和制造水平的不断进步，尤其是断裂力学、损伤力学、产品可靠性及损伤容限设计思想的应用和发展，使得产品的可靠性越来越高，一方面产品失效导致的恶性事故数量相对减少但危害及影响越来越大，另一方面产品失效的原因和影响因素越来越复杂，需要从设计、材料、制造工艺及使用等方面进行系统的综合性的分析，也就需要有从事设计、力学、材料等

6、各方面的研究人员共同参与，其解决办法是从降低零件所受外力(包括环境等)与提高零件所具有的抗力两方面入手，以达到提高产品使用可靠性的目的。从80年代中后期开始的这一时期，失效分析开始形成独立的学科，而不再是材料科学技术的一个附属部分。这一时期失效分析的主要特点就是集断裂特征分析、力学分析、结构分析、材料抗力分析以及可靠性分析为一体，已发展成为一门专门的学科。综上所述，现代失效分析具有系统工程学科的一般特征：即整体性、综合性、社会性和客观性，除此之外还具有法律性和时效性。(1) 整体性作为研究对象的“系统”始终被看成是一个有机整体，即使研究的对象是一个简单的构件，也必然存在相关部件对它的相互作用。

7、整体性不但指由两个以上的要素（部件）形成的联合体，而且这些要素按一定的制约关系相互作用、相互依存，并且具有共同的目标，即保证总体系统正常工作。同时，这一总体与外部环境（物理的、生态的和社会的）发生相互作用。所有这些，在失效分析时必须作为一个整体来考虑。(2) 综合性失效分析作为一门多科性学科不仅综合了科学技术的成果，而且涉及到心理学、管理学和社会科学的诸多领域。同时，失效的原因往往具有多样性和相关性，失效原因和失效结果之间往往具有双重性。因此对航空装备失效的原因必须进行综合性的分析。(3) 社会性失效分析既是全面质量管理的一个重要组成部分，也在加强社会监督、保护消费者合法权益方面发挥较大的作用

8、。同时，大型装备失效一般也都必须考虑人的问题，因为人是组成社会系统的第一因素。对航空装备而言，失效分析包括了要考虑人-机工程、社会学、心理学、人际关系、经济学和环境科学领域的各种影响因素。(4) 客观性失效分析的客观性要求是不言而喻的。(5) 法律性失效分析是用户手中最强有力的武器3。虽说用户是产品的最终“判官”，是“上帝”，但从根本上讲，产品失效，用户是最大的最直接的受害者，始终处于不利的地位，因此我们不要低估手中的最强有力的武器失效分析。(6) 时效性鉴于航空装备失效的危害和影响极大，这就要求必须寻求以最少的人力、物力、财力消耗并以最快的速度来获得正确的分析结果，以避免类似事故的发生。现代

9、失效分析的这些特点，要求从事设计、制造、使用和维修人员，尤其是失效分析人员，应当研究失效分析的思路和系统方法，特别是从每一次失效分析开始，考虑上述特征，采用一种综合的、相协调的系统失效分析方法。3并行工程在失效分析中应用的可行性与实施要素现代失效分析虽然也强调了综合系统分析，但这一综合系统往往是在各方面（职能部门）分析或各个子分析过程进行到一定阶段后的“综合分析”。失效分析采用的一般程序为：调查现场失效信息；初步确定肇事件；确定具体分析思路和工作程序；初步判断肇事件的失效模式；查找失效原因；综合性分析和提出总结报告。采用的方法一般为从材料、设计、制造工艺、使用、损伤的宏、微观特征方面提出若干个

10、分报告，再组织有关人员进行综合分析，甚至组织国内同行专家进行“会诊”。最后上级机关根据专家的“会诊”意见去向用户或有关预防单位协调落实专家意见，整个过程如图1所示。图 1现代失效分析采用的一般模式Fig.1General mode in modern failure analysis由于在大多数情况下从事材料、设计、制造工艺及使用的并非同一单位，因而各自往往从自己的角度和本身的利益出发，把“眼睛向内”变成“眼睛向外”，而一旦形成各自的“结论”，最后的“综合分析”往往是各家相互推卸责任。同时，从各自专业角度形成的分析报告，往往会得出“无设计问题”、“未发现材质和冶金缺陷”和“无工艺质量问题”等一

11、系列无问题的结论。最终不得不组织圈外的专家形成所谓“专家意见”。这种方法很容易造成重新组织分析、相互协调、延误时间。另一方面，从各专业形成的分析结果，容易导致偏见甚至错误的结果，如断口分析得出大应力断裂的结论，应力分析的人有可能分析不出大应力的存在而对此加以否认，或者为了与断口分析结果一致而根据断裂后构件的某些痕迹特征而推断有异物卡滞造成大应力断裂，这方面的教训已发生过多次，应当引以为戒。因此有必要探索“用来综合、协调产品的设计及其相关过程”的并行工程的思路在失效分析中应用的可行性。并行工程（Concurrent Engineering, CE）1是美国在80年代末提出、在90年代重点发展的武

12、器研制工程技术，是一种用来综合、协调产品的设计及其相关过程包括制造和保障工程的系统方法，它要求研制人员从一开始就考虑从方案设计直到废弃的产品寿命周期的所有要素，包括质量、费用、进度和用户要求。其特点是：(1) 在前一阶段工作中考虑后续阶段及总体结果；(2) 后续阶段中的双向信息流，亦即在两个阶段或两个子工程人员之间有信息交流；(3) 不同阶段或不同子工程之间随时解决矛盾和不协调问题。并行工程强调了阶段的相互关联、阶段信息的双向交流以及反馈问题，因而在并行工程用于失效分析时一方面打破了原来由设计、制造、保障、材料等部门分析的界限，并强调了不同分析阶段或不同分析方面的所有成员都能了解分析的总目标及

13、其其它阶段或其它方面的进展、问题及看法，进而在分析的整个过程中不断协调、不断综合各家及各方面的意见和看法，最后得出正确的失效分析和预防结论，因而能够极大地缩小“综合分析”的矛盾及花费的时间，大为减少迭代循环，并促进分析结论实施的可行性。要达到失效分析快速准确，在现代失效分析中采用并行工程的实施要素是：(1) 提出明确具体的失效分析总体要求和目标；(2) 交互作用的相互协调的并行分析过程；(3) 多学科（专业）人员参与的综合分析机构；(4) 综合的辅助诊断或模拟系统（包括必要时有关专家的会诊）。这些实施要素如图2所示，执行每一实施要素时均应随时考虑系统综合，即总体目标。图 2并行工程的实施要素及

14、其关系Fig.2Key parts in concurrent engineering and their relations这些实施要素与并行工程用于产品设计研制的实施要素基本上是相同的或相近的，由于并行工程在产品设计制造中已产生巨大的作用和效益，因而将并行工程应用于失效分析是可行的。4失效分析中并行工程的实施方法4.1明确失效分析总体要求和目标确定失效分析总体要求和目标是做出正确结论的前提和条件。在以往的失效分析过程中，尽管也有失效分析的目标和总体要求，但大多是领导机关或当事人（单位）提出，而很少是多学科（专业）人员参与所做出或制定出的，因而具有很大的人为因素或盲目性。因此，对一具体的失效

15、分析，应当根据用户的目标和要求，尽可能集中多学科（专业）人员参与制定总体要求、目标及具体分析内容，包括产品的功能性失效特征、导致失效可能的环节与因素、需要分析的具体内容、每一分析内容的结果或能够说明的问题、总体要求以及可能达到的总目标。当然这些在执行分析过程中还可能补充或修改。4.2交互作用的相互协调的并行分析过程实施并行分析过程的关键是应当在进行失效分析开始时，同时确定该分析结果的综合性和预防或改进工程的可行性。为此，必须在失效分析开始就着手进行分析方案、各分析子项目、预防或改进的综合，并将其延续到整个失效分析和预防过程，即分析过程的每一阶段或阶段总结时应同时考虑总体目标和随后的预防措施。否

16、则，分析的结论即使十分完美，也将是毫无意义的。如某机从70年代所用的发动机燃油泵一直未发生问题，但在1994年夏天多次在起飞阶段发生卡滞4，严重影响飞行安全。最初的结论是由于从1992年底开始由2号油改为3号油，导致燃油泵污染所致。但实际上国家民用航空燃油一律用3号油，不可能专为该机配备2号油。因此，该结论显然不可接受，必须重新进行分析。如果一开始就注意预防或改进的问题，油的问题只能被考虑为导致问题出现的因素之一，还应当有其它因素存在。当然，并行过程也是一个不断的、连续的改进过程，这一过程也称为“规划(Plan)、执行(Do)、检查(Check)、更改(Act)过程”，即PDCA过程3。过程改

17、进的出发点是更好地服从失效分析的总体要求和目标，所以必须以总体要求和目标的观点选择应予改进的问题，并确定改进的目标和指标，然后依次进行规划、执行、检查和修改。4.3多学科（专业）人员参与的综合分析机构组建多学科（专业）人员参与的综合分析机构是实施并行工程的核心，也是对传统失效分析由各职能部门分别拿出分报告最后由失效分析委员会来综合这一方法的重大变革，其最大的优点是使从事不同专业、不同部门的人员集中进行分析工作，使不同的意见一开始就进行协调，而不是最终进行“中和”。综合分析机构一般由专职失效分析人员和产品设计、制造、材料以及有关职能部门的代表组成的临时分析小组，其主要职责是：(1) 负责制定失效

18、分析总体要求和目标；(2) 制定综合分析方案，包括确定子分析系统分析目标和内容并监督子分析系统的进行；(3) 实施整体分析方案；(4) 综合和评审工作进度、结果并不断实施PDCA过程，直到达到失效分析的总体要求和目标；(5) 负责或协调与设计改进或其它预防部门的接口；(6) 完成总体失效分析与预防报告。组建临时的综合分析机构必须注意：(1) 分析小组的组建应以所要分析的系统为中心，组织与此有关的人员以及从事失效分析的专职人员，而不以职能部门为中心；(2) 分析小组应包括系统（或产品）设计、制造、材料、使用部门的人员，这些人员在组内是平等的，同时应当有相应的授权，以代表各自职能部门在小组内工作；

19、 (3) 各成员应加强和促进信息与问题的交流，尤其应主动介绍所在职能部门在该系统（或产品）中的工作及可能存在的问题；(4) 尽可能减少人员的变化，并将其保持到该工作包括预防与改进工作结束。4.4 综合的辅助诊断或模拟系统目前失效分析结论是否正确一般通过模拟试验来进行，但在大多数情况下则不大可能，因而大多采用专家会诊或评审的方式。专家会诊或评审一般时间仓促，不可能详细了解分析的整个过程以及所请专家的人为因素，存在的问题较多。因此应尽快地发展计算机失效分析辅助诊断、模拟与评估系统。计算机失效分析辅助诊断、模拟与评估系统应包含失效案例数据库、失效模型库、模拟系统以及评估系统等，有关该方面的技术研究已在进行，在此不在赘述。5结束语并行工程是美国80年代为改善产品与服务质量、增强在世界范围内的竞争力发展起来并在90年代应用的新型技术，在提高产品质量尤其是军工产品的质量、降低生产成本、缩短研制时间方面起到了很大作用。并行工程应用于航空装备失效分析是可行的，应当进一步的研究与发展，但也存在一些要解决的问题，如多学科（专业）人员参与的综合分析机构的人员之间的交流和协调、与职能部门的关系以及该临时机构的法人地位等，但这些问题将会在并行工程发展过程中得以解决。