FMEA在復(fù)合材料設(shè)計(jì)和開發(fā)中的應(yīng)用

韓 娜，馬明博

（1.冀州中意復(fù)合材料股份有限公司，河北衡水 053200；2.衡水優(yōu)捷特石油設(shè)備科技有限公司，河北衡水 053200）

0 引言

FMEA（Failure Mode and Effects Analysis）就是潛在的失效模式和后果分析。其中潛在失效模式主要說(shuō)的就是可能發(fā)生、但是不一定必須要發(fā)生的失效模式，其中潛在失效的后果主要說(shuō)的就是潛在失效模式會(huì)給用戶帶來(lái)的不利后果影響。在20世紀(jì)50年代初期，英國(guó)的Gunmman 公司第一次將FMEA 技術(shù)運(yùn)用在飛機(jī)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)當(dāng)中進(jìn)行分析，并且在一定程度上取得了顯著效果。但是FMEA 技術(shù)被大規(guī)模運(yùn)用還是在20 世紀(jì)60年代后期，其作為航空航天業(yè)的重要革新被逐漸使用，在20 世紀(jì)70年代中期，英國(guó)提出了FMEA 技術(shù)在軍隊(duì)上的使用標(biāo)準(zhǔn)。在20 世紀(jì)80年代中期，國(guó)際電工協(xié)會(huì)頒布了FMEA 技術(shù)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，其標(biāo)準(zhǔn)為IEC812，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)被頒布出來(lái)就被我國(guó)所使用，我國(guó)的將FMEA 技術(shù)標(biāo)號(hào)為GB 7826—1987《系統(tǒng)可靠性分析技術(shù)和效應(yīng)分析以及失效模式程序》。

早期的FMEA 實(shí)際應(yīng)用是僅限在航空航天領(lǐng)域當(dāng)中，但是在80年代后期，其所擴(kuò)展的范圍在民用產(chǎn)品生產(chǎn)領(lǐng)域中得到了大量的運(yùn)用。隨著人們對(duì)于各種產(chǎn)品的質(zhì)量要求不斷提升，再加上市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的不斷加劇，從而在一定程度上去降低了產(chǎn)品的風(fēng)險(xiǎn)、減少了產(chǎn)品不必要的浪費(fèi)和有效縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期和生產(chǎn)周期需求，當(dāng)前我國(guó)有很多的企業(yè)逐漸意識(shí)到了事先預(yù)防的重要性。第一是汽車工業(yè)所使用的FMEA 技術(shù)，從而力求在汽車核心零部件產(chǎn)品形成的初期階段最大程度的去識(shí)別與采取相對(duì)應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。當(dāng)前，上海通用汽車和福特汽車以及大眾汽車等知名汽車品牌公司都是采用了FMEA 技術(shù)，這樣能夠促進(jìn)汽車產(chǎn)品的不斷發(fā)展和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的提升。

1 FMEA 在復(fù)合材料產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開發(fā)當(dāng)中的運(yùn)用

在一定程度上，作為一種穩(wěn)定性和可靠性較高的分析技術(shù)，F(xiàn)MEA 可以有效的去促進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程和生產(chǎn)制造過(guò)程層次當(dāng)中的質(zhì)量?jī)?yōu)化，也是對(duì)上面各流程組成部分和接口僅限事先分析的方式。在某種程度上事先分析主要有以下7 個(gè)方面的內(nèi)容：第一是評(píng)價(jià)每一個(gè)失效模式過(guò)程中有可能產(chǎn)生的后果對(duì)于用戶所造成的不利影響；第二是要查明上面流程當(dāng)中可能會(huì)存在的潛在失效模式的不利影響對(duì)于用戶帶來(lái)的潛在威脅；第三是要找到降低每一個(gè)失效模式的原因和所發(fā)生可能性的問(wèn)題所在，找到其根源，并制定相針對(duì)的措施予以解決；第四是找到降低失效模式所發(fā)生的控制標(biāo)量，然后在去確定失效模式可以控制的程度大小；第五，相關(guān)工作人員要給予書面上的總結(jié)歸納報(bào)告以及具體的分析結(jié)果顯示；第六，要提出要對(duì)于的解決措施，然后取預(yù)防后果對(duì)于用戶所造成的不利影響，要預(yù)防風(fēng)險(xiǎn)失效模式的情況出現(xiàn)，做出提前的分析預(yù)測(cè)。

目前，有效結(jié)合FMEA（潛在失效模式及后果分析）相關(guān)技術(shù)在復(fù)合材料汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零部件開發(fā)過(guò)程中的實(shí)例進(jìn)行分析，然后去說(shuō)明FMEA 產(chǎn)品在設(shè)計(jì)和開發(fā)階段中的實(shí)際應(yīng)用效果。在實(shí)際開發(fā)汽車復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品時(shí)，第一要先驅(qū)成立由工藝、設(shè)計(jì)以及采購(gòu)和質(zhì)量的質(zhì)量先期策劃隊(duì)伍，然后在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，通過(guò)個(gè)隊(duì)伍之間的分析和討論，并且工作人員要和用戶之間進(jìn)行提前的溝通和商量，比如在汽車漏油、汽車儲(chǔ)油量偏差以及殼體的破壞等方面的問(wèn)題，要針對(duì)殼體的破壞或者是漏油去基于以下情況所得出的失效模式，然后在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)快速運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，汽車的車輪彈起地面的石頭可能會(huì)打擊到產(chǎn)品上面，這種情況的出現(xiàn)就會(huì)讓產(chǎn)品出現(xiàn)不同程度的破裂，然后潛在失效的后果就是會(huì)讓用戶受到不利影響因素，而導(dǎo)致的汽車產(chǎn)品破損或者是汽車出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。在一定程度上通過(guò)對(duì)FMEA技術(shù)進(jìn)行分析，從而去判斷汽車產(chǎn)品零部件的外部防止沖撞的防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，比如沖撞防護(hù)的厚度和高度也都是會(huì)直接影響到汽車外部抵抗外部沖擊力的效果和性能等，也是直接導(dǎo)致殼體破損或者是漏油的主要原因。

2 相關(guān)措施分析

在發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的外部結(jié)構(gòu)造型設(shè)計(jì)是潛在的失效原因之后，相關(guān)討論小組通過(guò)討論之后，對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)建議現(xiàn)行的設(shè)計(jì)控制防范措施主要是采用的是CAE（Computer Aided Engineering，計(jì)算機(jī)輔助工程）所進(jìn)行的飛石沖擊分析技術(shù)，然后在一定程度上去確保汽車產(chǎn)品外部零部件結(jié)構(gòu)造型的設(shè)計(jì)能夠滿足汽車的實(shí)際使用要求，并且還可以建議在產(chǎn)品樣品完成之后，充分運(yùn)用飛石沖擊試驗(yàn)的方法去進(jìn)行當(dāng)前設(shè)計(jì)的控制探測(cè)需求，在一定程度上所形成的FMEA 技術(shù)（表1）。

表1 潛在失效模式分析的具體控制措施分析

在一定程度上將FMEA 技術(shù)分析當(dāng)中所需要進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)結(jié)果歸納進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)計(jì)劃當(dāng)中，在這個(gè)計(jì)劃當(dāng)中必須要明確進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的種類以及實(shí)驗(yàn)的方法。比如相關(guān)工作人員要建議飛石沖擊試驗(yàn)，就需要確定使用多大的力度去進(jìn)行撞擊和對(duì)于撞擊的角度進(jìn)行確定以及撞擊位置的判定，上述這些問(wèn)題主要是在FMEA 技術(shù)分析階段中必須要明確的，只有明確不要的具體條件才能夠讓實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性有所提升。在對(duì)該產(chǎn)品的飛石沖擊試驗(yàn)過(guò)程中，充分考慮到國(guó)外的成熟經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合用戶所能夠接受的實(shí)際沖撞結(jié)果，在一定程度上要明確表2 條件下去進(jìn)行飛石沖擊試驗(yàn)和可以接受的結(jié)果分析。

表2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)驗(yàn)證計(jì)劃分析中的飛石沖擊試驗(yàn)

需要說(shuō)明的是：①試驗(yàn)測(cè)試的沖擊溫度為23 ℃和100 ℃、-40 ℃；②在飛石沖擊試驗(yàn)中其沖擊角度分別是3°、45°和90°，沖擊的具體位置是根據(jù)模流的分析結(jié)果進(jìn)行選擇的。

3 驗(yàn)證的結(jié)果分析

在一定程度上去按照當(dāng)前對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)控制的針對(duì)措施，然后通過(guò)CAE 的分析去明確某一外部結(jié)構(gòu)造型能否滿足使用需求。沖擊能量8.9 J，本體在100 ℃以下的CAE 飛石沖擊分析結(jié)果見圖1。

在汽車產(chǎn)品的樣品完成之后，進(jìn)行了飛石沖擊試驗(yàn)的具體驗(yàn)證結(jié)果分析。其中試驗(yàn)的驗(yàn)證選擇主要是根據(jù)模流來(lái)進(jìn)行具體分析的，然后取選擇起薄弱點(diǎn)來(lái)進(jìn)行飛石沖擊試驗(yàn)，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行說(shuō)明飛石沖擊試驗(yàn)的結(jié)果（圖2）。

在一定程度上通過(guò)對(duì)選點(diǎn)，按照原先試驗(yàn)計(jì)劃進(jìn)行各個(gè)角度以及各種溫度條件下的沖擊試驗(yàn)，然后相關(guān)測(cè)試人員要隨時(shí)的關(guān)注復(fù)合材料外表的變化，然后取判斷其是否能夠滿足具體的產(chǎn)品使用需求。復(fù)合材料在能量8.9 J、溫度-40 ℃和100 ℃以及撞擊角度為45°和90°所進(jìn)行的飛石沖擊試驗(yàn)之后，產(chǎn)品外部表面的破損情況分析見表3。其中，√表示沒(méi)有斷裂，×表示已經(jīng)斷裂。

圖1 飛石沖擊的CAE 分析結(jié)果顯示

圖2 模流分析截圖和飛石沖擊所選定的撞擊點(diǎn)位置

上面相關(guān)飛石沖擊試驗(yàn)即為具體的驗(yàn)證，它在一定程度上表明汽車發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的外部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是滿足實(shí)際使用需求的，失效的風(fēng)險(xiǎn)順序（PRN）由原先的158 降低到了96。這一實(shí)例表明，F(xiàn)MEA 在復(fù)合材料產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與開發(fā)階段中是能有效發(fā)揮出其重要的事先預(yù)防效果，在一定程度上能夠降低產(chǎn)品在開發(fā)過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)性。

表3 飛石沖擊試驗(yàn)的結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

總而言之，F(xiàn)MEA 是最大限度地分析與識(shí)別潛在失效模式的原因分析技術(shù)。FMEA 技術(shù)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開發(fā)階段的核心，其在復(fù)合材料的設(shè)計(jì)與開發(fā)各階段中均有涉及，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)初期階段中必須要強(qiáng)化FMEA 技術(shù)的實(shí)際運(yùn)用，在一定程度上降低設(shè)計(jì)之后返修的潛在危害，要做到降低成本對(duì)復(fù)合材料產(chǎn)品的修改，降低因修改而帶來(lái)的成本增加和經(jīng)濟(jì)損失的情況出現(xiàn)，從而高效、快速地將產(chǎn)品發(fā)布在市場(chǎng)，讓產(chǎn)品占據(jù)有利地位，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)效益的提升。