可靠性設計 IV 系統可靠性分析方法 高嵩 2020 4 14 可靠性設計 1 本章內容 故障模式影響及危害性分析法 FMECA 故障樹分析法 FTA 事件樹分析法 ETA 1 FMECA 2020 4 14 可靠性設計 3 內容提要 概述FMECA的定義 目的和作用FMECA的方法FMECA的步驟系統定義故障模式影響分析危害性分析FMECA結果輸出與注意的問題應用案例 2020 4 14 可靠性設計 4 概述 元部件的故障對系統可造成重大影響災難性的影響挑戰者升空爆炸 發動機液體燃料管墊圈不密封致命性的影響起落架上位鎖打不開以往設計師依靠經驗判斷元部件故障對系統的影響依賴于人的知識和工作經驗 2020 4 14 可靠性設計 5 概述 系統的 全面的和標準化的方法 FMECAFMECA的發展設計階段發現對系統造成重大影響的元部件故障設計更改 可靠性補償是可靠性 維修性 保障性和安全性設計分析的基礎 2020 4 14 可靠性設計 6 FMECA的概念 FMECA的定義故障模式影響及危害性分析 FailureMode EffectsandCriticalityAnalysis 記為FMECA 是分析系統中每一產品所有可能產生的故障模式及其對系統造成的所有可能影響 并按每一個故障模式的嚴重程度及其發生概率予以分類的一種歸納分析方法 FMECA是一種自下而上的歸納分析方法 FMEA和CA 2020 4 14 可靠性設計 7 FMECA的概念 FMECA的目的從產品設計 功能設計 硬件設計 軟件設計 生產 生產可行性分析 工藝設計 生產設備設計與使用 和產品使用角度發現各種影響產品可靠性的缺陷和薄弱環節 為提高產品的質量和可靠性水平提供改進依據 2020 4 14 可靠性設計 8 FMECA的概念 FMECA的作用保證有組織地定性找出系統的所有可能的故障模式及其影響 進而采取相應的措施 為制定關鍵項目和單點故障等清單或可靠性控制計劃提供定性依據 為制定試驗大綱提供定性信息 為確定更換有壽件 元器件清單提供使用可靠性設計的定性信息 為確定需要重點控制質量及工藝的薄弱環節清單提供定性信息 可及早發現設計 工藝中的各種缺陷 為可靠性 R 維修性 M 安全性 S 測試性 T 和保障性 S 工作提供一種定性依據 2020 4 14 可靠性設計 9 FMECA方法分類 2020 4 14 可靠性設計 10 產品壽命周期各階段的FMECA方法 2020 4 14 可靠性設計 11 FMECA的步驟 2020 4 14 可靠性設計 12 系統定義 明確分析范圍根據系統的復雜度 重要程度 技術成熟性 分析工作的進度和費用約束等 確定系統中進行FMECA的產品范圍產品層次示例約定層次 規定的FMECA的產品層次初始約定層次 系統最頂層最低約定層次 系統最底層 2020 4 14 可靠性設計 13 系統任務分析和功能分析描述系統的任務要求及系統在完成各種功能任務時所處的環境條件任務剖面 任務階段分析明確系統中的產品在完成不同的任務時所應具備的功能 工作方式及工作時間等功能描述確定故障判據制定系統及產品的故障判據 選擇FMECA方法等故障判據分析方法 系統定義 2020 4 14 可靠性設計 14 故障模式影響分析FMEA FMEA的工作內容故障模式分析找出系統中每一產品所有可能出現的故障模式 故障原因分析找出每一個故障模式產生的原因 故障影響分析找出系統中每一產品的每一個可能的故障模式所產生的影響 并按這些影響的嚴重程度進行分類 2020 4 14 可靠性設計 15 故障模式影響分析FMEA FMEA的工作內容故障檢測方法分析分析每一種故障模式是否存在特定的發現該故障模式的檢測方法 從而為系統的故障檢測與隔離設計提供依據 補償措施分析針對故障影響嚴重的故障模式 提出設計改進和使用補償的措施 2020 4 14 可靠性設計 16 故障模式影響分析FMEA 2020 4 14 可靠性設計 17 危害性分析 CA 目的是按每一故障模式的嚴重程度及該故障模式發生的概率所產生的綜合影響對系統中的產品劃等分類 以便全面評價系統中可能出現的產品故障的影響 CA是FMEA的補充或擴展 只有在進行FMEA的基礎上才能進行CA 常用方法風險優先數 RiskPriorityNumber RPN 法主要用于汽車等民用工業領域危害性矩陣法主要用于航空 航天等軍用領域 2020 4 14 可靠性設計 18 危害性分析 CA 風險優先數法RPN OPR ESR DDROPR OccurrenceProbabilityRanking 故障模式發生概率等級ESR EffectSeverityRanking 影響嚴酷度等級DDR DetectionDiffcultyRanking 檢測難度等級上述三項因素通過評分獲得 因此 首先應給出各項因素的評分準則 2020 4 14 可靠性設計 19 危害性分析 CA 發生概率等級OPR用于評定某一特定的故障原因導致的某故障模式實際發生的可能性 2020 4 14 可靠性設計 20 危害性分析 CA 嚴酷度等級ESR用于評定所分析的故障模式的最終影響 2020 4 14 可靠性設計 21 危害性分析 CA 檢測難度等級DDR用于評定通過企業內部預定的檢驗程序查出引起所分析的故障模式的各種原因的可能性 2020 4 14 可靠性設計 22 危害性分析 CA 危害性矩陣法分類 定性和定量CA表 2020 4 14 可靠性設計 23 危害性分析 CA 危害性矩陣圖繪制危害性矩陣圖的目的是比較每個故障模式的危害程度 進而為確定改進措施的先后順序提供依據 危害性矩陣是在某一特定嚴酷度級別下 產品各個故障模式危害程度或產品危害度相對結果的比較 與RPN一樣具有指明風險優先順序的作用 1 2 2020 4 14 可靠性設計 24 FMECA結果輸出 FMECA輸出單點故障模式清單 類故障模式清單可靠性關鍵件 重要件不可檢測故障模式清單危害性矩陣圖等FMEA CA表 2020 4 14 可靠性設計 25 實施FMECA應注意的問題 強調 誰設計 誰分析 的原則 誰設計 誰分析 的原則 也就是產品設計人員應負責完成該產品的FMECA工作 可靠性專業人員應提供分析必須的技術支持 實踐表明 FMECA工作是設計工作的一部分 誰設計 誰分析 及時改進是進行FMECA的宗旨 是確保FMECA有效性的基礎 也是國內外開展FMECA工作經驗的結晶 如果不由產品設計者實施FMECA 必然造成分析與設計的分離 也就背離了FMECA的初衷 2020 4 14 可靠性設計 26 實施FMECA應注意的問題 重視FMECA的策劃實施FMECA前 應對所需進行的FMECA活動進行完整 全面 系統地策劃 尤其是對復雜大系統 更應強調FMECA的重要性 其必要性體現在以下幾方面 結合產品研制工作 運用并行工程的原理 對所需的FMECA進行完整 全面 系統地策劃 將有助于保證FMECA分析的目的性 有效性 以確保FMECA工作與研制工作同步協調 避免事后補做的現象 對復雜大系統 總體級的FMECA往往需要低層次的分析結果作為輸入 對相關分析活動的策劃將有助于確保高層次產品FMECA的實施 FMECA計劃階段事先規定的基本前提 假設 分析方法和數據 將有助于在不同產品等級和承制方之間交流和共享 確保分析結果的一致性 有效性和可比性 2020 4 14 可靠性設計 27 實施FMECA應注意的問題 保證FMECA的實時性 規范性 有效性實時性 FMECA工作應納入研制工作計劃 做到目的明確 管理務實 FMECA工作與設計工作應同步進行 將FMECA結果及時反饋給設計過程 規范性 分析工作應嚴格執行FMECA計劃 有關標準 文件的要求 分析中應明確某些關鍵概念 比如 故障檢測方法是系統運行或維修時發現故障的方法 嚴酷度是對故障模式最終影響嚴重程度的度量 危害度是對故障模式后果嚴重程度的發生可能性的綜合度量 兩者是不同的概念 不能混淆 有效性 對分析提出的改進 補償措施的實現予以跟蹤和分析 以驗證其有效性 這種過程也是積累FMECA工程經驗的過程 2020 4 14 可靠性設計 28 實施FMECA應注意的問題 FMECA的剪裁和評審FMECA作為常用的分析工具 可為可靠性 安全性 維修性 測試性和保障性等工作提供信息 不同的應用目的可能得到不同的分析結果 各單位可根據具體的產品特點和任務對FMECA的分析步驟 內容進行補充 剪裁 并在相應文件中予以明確 2020 4 14 可靠性設計 29 實施FMECA應注意的問題 FMECA的數據故障模式是FMECA的基礎 能否獲得故障模式的相關信息是決定FMECA工作有效性的關鍵 若進行定量分析時還需故障的具體數據 這些數據除通過試驗獲得外 一般是需要通過相似產品的歷史數據進行統計分析 有計劃有目的地注意收集 整理有關產品的故障信息 并逐步建立和完善故障模式及頻數比的相關故障信息庫 這是開展有效的FMECA工作的基本保障之一 2020 4 14 可靠性設計 30 實施FMECA應注意的問題 FMECA應與其他分析方法相結合FMECA雖是有效的可靠性分析方法 但并非萬能 它不能代替其他可靠性分析工作 應注意FMECA一般是靜態的 單一因素的分析方法 在動態方面還很不完善 若對系統實施全面分析還需與其他分析方法 如FTA ETA等 相結合 2020 4 14 可靠性設計 31 故障模式分析 故障與故障模式故障是產品或產品的一部分不能或將不能完成預定功能的事件或狀態 對電子元器件 彈藥 機械產品也稱失效 故障模式是故障的表現形式 如短路 開路 起落架撐桿斷裂 作動筒間隙不當 收放不到位 過度耗損等 一般在研究產品的故障時往往從產品的故障現象入手 進而通過現象找出故障原因 故障模式是FMECA分析的基礎 同時也是進行其它故障分析 如故障樹分析 事件樹分析等 的基礎之一 2020 4 14 可靠性設計 32 故障模式分析 故障判據產品的故障與產品所屬系統的規定功能和規定條件密切相關 在對具體的系統進行故障分析時 必須首先明確系統在規定的條件下喪失規定功能的判別準則 即系統的故障判據 這樣才能明確產品的某種非正常狀態是否為該產品的故障模式 注意區分兩類不同性質的故障功能故障指產品或產品的一部分不能完成預定功能的事件或狀態 潛在故障指產品或產品的一部分將不能完成預定功能的事件或狀態 2020 4 14 可靠性設計 33 故障模式分析 注意窮盡可能的故障模式一個產品可能具有多種功能起落架 支撐 滑跑 收放等每一種功能又可能具有多種故障模式支撐 降落時折起滑跑 震動收放 收不起 放不下因此 分析人員的任務就是找出產品每一種功能的全部可能的故障模式 對于一般具有多種任務功能的復雜系統 要說明產品的故障模式是在哪一個任務剖面的哪一個任務階段的哪種工作模式下發生的 2020 4 14 可靠性設計 34 故障模式分析 系統研制初期分析故障模式的原則在系統的壽命周期內 分析人員經過各種目的FMECA即可掌握系統的全部故障模式 但首先遇到的問題是在系統研制初期如何分析各產品可能的故障模式 一般地說 可通過統計 試驗或分析預測來解決 即可遵循如下原則 對系統中直接采用的現有產品 可以以該產品在過去的使用中所發生的故障模式為基礎 再根據該產品使用環境條件的異同進行分析修正 得到該產品的故障模式 對系統中的新產品 可根據該產品的功能原理進行分析預測 得到該產品的故障模式 或以與該產品具有相似功能的產品所發生的故障模式為基礎 分析判斷該產品的故障模式 2020 4 14 可靠性設計 35 典型故障模式 GJB1391 故障模式影響及危害性分析 2020 4 14 可靠性設計 36 機械產品典型故障模式 故障模式可分為以下七大類 損壞型 如斷裂 變形過大 塑性變形 裂紋等 退化型 如老化 腐蝕 磨損等 松脫型 松動 脫焊等失調型 如間隙不當 行程不當 壓力不當等 堵塞或滲漏型 如堵塞 漏油 漏氣等 功能型 如性能不穩定 性能下降 功能不正常 其他 潤滑不良等 2020 4 14 可靠性設計 37 故障原因分析 分析故障原因一般從兩個方面著手 直接原因 導致產品功能故障的產品自身的那些物理 化學或生物變化過程等 直接原因又稱為故障機理 間接原因 由于其他產品的故障 環境因素和人為因素等引起的間接故障原因 例如 起落架上位鎖打不開直接原因 鎖體間隙不當 彈簧老化等間接原因 鎖支架剛度差 2020 4 14 可靠性設計 38 任務階段與工作方式 任務剖面又由多個任務階段組成起落架任務階段 起飛 著陸 空中飛行 地面滑行工作方式 可替換有余度上位鎖開鎖 液壓 手動鋼索 冷氣因此 在進行故障模式分析時 要說明產品的故障模式是在哪一個任務剖面的哪一個任務階段的什么工作方式下發生的 2020 4 14 可靠性設計 39 任務剖面 L 123 L 209T 12 15 L 419 6T 24 40 L 117 7T 6 84 L 38 L 827 4T 48 10 T 48 1 投720L副油箱 投960L副油箱 T 12 2 M 0 86 M 0 86 M 0 86 M 0 86 航程L km 航時T min 高度H km T 24 4 T 6 8 T 5 0 空 空剖面1 5 10 11 2020 4 14 可靠性設計 40 故障影響分析 約定層次復雜系統通常具有層次性結構 隨著設計的進展 層次劃分方式也不同 早期 按照系統功能劃分深入后 可按系統結構劃分FMEA之前 先規定從哪個產品層次到哪個產品層次結束 這種規定FMEA層次稱為約定層次 約定層次示例初始約定層次最低約定層次 2020 4 14 可靠性設計 41 故障影響分析 約定層次的劃分應當從系統效能 費用 進度等方面進行權衡 在系統的不同研制階段內由于FMEA的目的或側重點不同 因而約定層次的劃分不必強求一致 即使在同一研制階段 由于組成系統的復雜性 在約定層次的劃分上也不必完全相同 應依據組成系統的產品的實際情況確定約定層次 較多成熟產品的系統 約定層次可劃分的粗而少不成熟產品組成的系統 劃分應多而細 并做認真詳細的分析當系統中某一產品的故障將直接引起災難的或致命的后果時 則最低約定層次應至少劃分到這一產品所在的層次 層次劃分的多而細 進行FMEA的工作量越大 2020 4 14 可靠性設計 42 故障影響分析 故障影響指產品的每一個故障模式對產品自身或其他產品的使用 功能和狀態的影響 局部影響 某產品的故障模式對該產品自身和與該產品所在約定層次相同的其他產品的使用 功能或狀態的影響 高一層次影響 某產品的故障模式對該產品所在約定層次的高一層次產品的使用 功能或狀態的影響 最終影響 指系統中某產品的故障模式對初始約定層次產品的使用 功能或狀態的影響 2020 4 14 可靠性設計 43 嚴酷度類別 定義系統中各產品的故障模式產生的最終影響往往是不同的 為了劃分不同故障模式產生的最終影響的嚴重程度 在進行故障模式分析之前 一般需要對最終影響的后果等級進行預定義 從而對系統中各故障模式按其嚴重程度進行分級 在某些系統 一般為武器系統 中 最終影響的嚴重程度等級又稱為嚴酷度類別 嚴酷度 故障模式所產生后果的嚴重程度 2020 4 14 可靠性設計 44 嚴酷度類別 武器系統的嚴酷度類別定義 GJB1391 2020 4 14 可靠性設計 45 故障檢測方法 針對分析找出的每一個故障模式 分析其故障檢測方法 以便為系統的維修性 測試性設計以及系統的維修工作提供依據 故障檢測方法一般包括目視檢查 離機檢測 原位測試等手段 自動傳感裝置 傳感儀器 音響報警裝置 顯示報警裝置等故障檢測一般分為事前檢測與事后檢測兩類 對于潛在故障模式 應盡可能設計事前檢測方法 2020 4 14 可靠性設計 46 補償措施分析 是關系到能否有效地提高產品可靠性的重要環節 它針對每個故障模式的原因 影響 提出可能的補償措施 設計補償措施產品發生故障時 能繼續安全工作的冗余設備 安全或保險裝置 如監控及報警裝置 可替換的工作方式 如備用或輔助設備 可以消除或減輕故障影響的設計或工藝改進 如概率設計 計算機模擬仿真分析和工藝改進等 操作人員補償措施特殊的使用和維護規程 盡量避免或預防故障的發生 一旦出現某故障后操作人員應采取的最恰當的補救措施 2020 4 14 可靠性設計 47 約定層次示例 故障影響 系統定義 2020 4 14 可靠性設計 48 故障概率等級或數據來源 故障概率等級 定性分析方法A級 經常發生 20 B級 有時發生 10 20 C級 偶然發生 1 10 D級 很少發生 0 1 1 E級 極少發生 0 1 數據來源預計值分配值外場評估值等 2020 4 14 可靠性設計 49 故障模式頻數比 故障模式頻數比故障模式頻數比 是產品的某一故障模式占其全部故障模式的百分比率 如果考慮某產品所有可能的故障模式 則其故障模式頻數比之和將為1 模式故障率 m是指產品總故障率 p與某故障模式頻數比 的乘積 例 故障模式頻數比及模式故障率 2020 4 14 可靠性設計 50 故障影響概率 故障影響概率 是指假定某故障模式已發生時 導致確定的嚴酷度等級的最終影響的條件概率 某一故障模式可能產生多種最終影響 分析人員不但要分析出這些最終影響還應進一步指明該故障模式引起的每一種故障影響的百分比 此百分比即為 這多種最終影響的 值之和應為1 故障影響概率示例 2020 4 14 可靠性設計 51 故障模式危害度與產品危害度 故障模式危害度 評價單一故障模式危害性Cmi j p t j Cmi j 代表了產品在工作時間t內以第i種故障模式發生第j類嚴酷度類別的故障次數產品危害度 評價產品的危害性n為該產品在第j類嚴酷度類別下的故障模式總數 j Cr j 代表產品在工作時間t內產生的第j類嚴酷度類別的故障次數 2020 4 14 可靠性設計 52 例 某型軍用教練飛機升降舵系統的FMECA 系統定義系統組成及功能約定層次繪制可靠性方框圖故障判據嚴酷度類別FMECA表的填寫FMECA表格的選取FMECA表中信息來源主要故障模式系統在不同嚴酷度下的危害度FMECA報告 2020 4 14 可靠性設計 53 系統定義 系統組成及功能某型軍用教練飛機升降舵系統是單梁盒式薄壁結構 并是由梁 小梁 肋 蒙皮所組成的雙閉室剖面結構 為保證升降舵系統的操作 由負載 配平性能需要 還裝有配重的調整片 翼尖配重 約定層次初始約定層次為某型軍用教練機約定層次圖 2020 4 14 可靠性設計 54 系統定義 繪制方框圖繪制功能結構方框圖繪制可靠性框圖故障判據嚴酷度類別 2020 4 14 可靠性設計 55 升降舵系統約定層次 2020 4 14 可靠性設計 56 功能結構方框圖 2020 4 14 可靠性設計 57 可靠性框圖 2020 4 14 可靠性設計 58 故障判據 升降舵系統凡發生不滿足以下要求的情況之一 即認為該系統發生了故障 舵面偏轉時應準確及時偏轉到規定位置 左 右升降舵應保持同步偏轉 飛機長期穩定飛行時 舵面應保持確定的平衡位置 舵面偏轉時無卡滯現象 飛行中舵面無強烈振動現象 調整片按要求能正常偏轉 配重無松動現象 舵面結構滿足了強度 剛度要求 沒有因疲勞 腐蝕等導致其結構的損傷 2020 4 14 可靠性設計 59 嚴酷度類別 升降舵系統嚴酷度類別的定義 2020 4 14 可靠性設計 60 FMECA表格的填寫 FMECA表格的選取根據本案例的實際情況 將FMEA表 CA表合并成一個表 這使FMECA表更簡明 直觀和減少工作量 FMECA表中信息來源表中的故障模式 故障原因 故障率等均是在多個相似飛機升降舵的調研和分析基礎上進行的 其結果比較真實可靠 主要故障模式 歸納該升降舵的故障模式是 舵面偏轉不到位 其表現為駕駛桿行程加大 操縱不到位 舵面偏轉困難 偏重 但無卡死現象 卡滯 舵面轉動不靈活 有卡滯現象 振動 由舵面的振動導致駕駛桿抖動 結構故障 由于長期使用 舵面結構局部損傷 造成結構強度 剛度下降 變形加大 2020 4 14 可靠性設計 61 FMECA表格的填寫 針對上述故障模式提示了相應的改進措施 進而提高了產品的可靠性 保證了該教練機飛行一次成功 系統在不同嚴酷度下的危害度據表結果 升降舵系統在不同嚴酷度下的危害度是 CRs I 6 001 10 6 CRs 31 6724 10 6 CRs 1 4183 10 6 CRs 0 0252 10 6 2020 4 14 可靠性設計 62 FMECA表格 2020 4 14 可靠性設計 63 FMECA報告 可靠性關鍵產品清單 類故障模式清單單點故障模式清單不可檢測故障模式清單危害性矩陣圖等 2 FTA 2020 4 14 可靠性設計 65 內容提要 概述故障樹的基本概念定義目的 特點FTA工作要求常用事件 邏輯門符號故障樹分析定性分析定量分析重要度分析故障樹的簡化 2020 4 14 可靠性設計 66 概述 切爾諾貝利核泄露事故 美國的挑戰者號升空后爆炸和印度的博帕爾化學物質泄露 FMECA 單因素分析法 只能分析單個故障模式對系統的影響 FTA可分析多種故障因素 硬件 軟件 環境 人為因素等 的組合對系統的影響 FMECA和FTA是工程中最有效的故障分析方法 FMECA是FTA的基礎 各工程領域廣泛應用 核工業 航空 航天 機械 電子 兵器 船舶 化工等 2020 4 14 可靠性設計 67 泰坦尼克海難 海難后果 船體鋼材不適應海水低溫環境 造成船體裂紋 觀察員 駕駛員失誤 造成船體與冰山相撞 船上的救生設備不足 使大多數落水者被凍死 距其僅20海里的California號無線電通訊設備處于關閉狀態 無法收到求救信號 不能及時救援 頂事件 邏輯門 中間事件 底事件 2020 4 14 可靠性設計 68 電機故障樹 2020 4 14 可靠性設計 69 基本概念 故障樹定義故障樹指用以表明產品哪些組成部分的故障或外界事件或它們的組合將導致產品發生一種給定故障的邏輯圖 故障樹是一種邏輯因果關系圖 構圖的元素是事件和邏輯門事件用來描述系統和元 部件故障的狀態邏輯門把事件聯系起來 表示事件之間的邏輯關系故障樹實例 2020 4 14 可靠性設計 70 基本概念 故障樹分析 FTA 通過對可能造成產品故障的硬件 軟件 環境 人為因素進行分析 畫出故障樹 從而確定產品故障原因的各種可能組合方式和 或 其發生概率 定性分析定量分析 2020 4 14 可靠性設計 71 基本概念 FTA目的幫助判明可能發生的故障模式和原因 發現可靠性和安全性薄弱環節 采取改進措施 以提高產品可靠性和安全性 計算故障發生概率 發生重大故障或事故后 FTA是故障調查的一種有效手段 可以系統而全面地分析事故原因 為故障 歸零 提供支持 指導故障診斷 改進使用和維修方案等 FTA特點是一種自上而下的圖形演繹方法 有很大的靈活性 綜合性 硬件 軟件 環境 人為因素等 主要用于安全性分析 2020 4 14 可靠性設計 72 FTA工作要求 在產品研制早期就應進行FTA 以便早發現問題并進行改進 隨設計工作進展 FTA應不斷補充 修改 完善 誰設計 誰分析 故障樹應由設計人員在FMEA基礎上建立 可靠性專業人員協助 指導 并由有關人員審查 以保證故障樹邏輯關系的正確性 應與FMEA工作相結合應通過FMEA找出影響安全及任務成功的關鍵故障模式 即I II類嚴酷度的故障模式 作為頂事件 建立故障樹進行多因素分析 找出各種故障模式組合 為改進設計提供依據 2020 4 14 可靠性設計 73 FTA工作要求 FTA輸出的設計改進措施 必須落實到圖紙和有關技術文件中應采用計算機輔助進行FTA由于故障樹定性 定量分析工作量十分龐大 因此建立故障樹后 應采用計算機輔助進行分析 以提高其精度和效率 2020 4 14 可靠性設計 74 故障樹常用事件符號 2020 4 14 可靠性設計 75 故障樹常用事件符號 A 2020 4 14 可靠性設計 76 故障樹常用邏輯門符號 2020 4 14 可靠性設計 77 故障樹常用邏輯門符號 2020 4 14 可靠性設計 78 故障樹常用邏輯門符號 2020 4 14 可靠性設計 79 故障樹常用邏輯門符號 2020 4 14 可靠性設計 80 故障樹示例 2020 4 14 可靠性設計 81 故障樹分析 建樹步驟廣泛收集并分析系統及其故障的有關資料 選擇頂事件 建造故障樹 簡化故障樹 注意事項明確建樹邊界條件 簡化故障樹 故障事件應嚴格定義 如希望分析 電路開關合上后馬達不轉 但由于省略 表達為 馬達不轉 則故障樹就不同 2020 4 14 可靠性設計 82 故障樹分析 分析步驟建立故障樹 故障樹定性分析 故障樹定量分析 重要度分析 分析結論 薄弱環節 確定改進措施 2020 4 14 可靠性設計 83 故障樹定性分析 目的尋找頂事件的原因事件及原因事件的組合 最小割集 即識別導致頂事件發生的所有故障模式集合 幫助分析人員發現潛在的故障 發現設計的薄弱環節 以便改進設計 指導故障診斷 改進使用和維修方案 割集 最小割集概念割集 故障樹中一些底事件的集合 當這些底事件同時發生時 頂事件必然發生 最小割集 若將割集中所含的底事件任意去掉一個就不再成為割集了 這樣的割集就是最小割集 2020 4 14 可靠性設計 84 故障樹定性分析 最小割集的意義最小割集對降低復雜系統潛在事故的風險具有重大意義如果能使每個最小割集中至少有一個底事件恒不發生 發生概率極低 則頂事件就恒不發生 發生概率極低 設計時系統潛在事故的發生概率降至最低 消除可靠性關鍵系統中的一階最小割集 可消除單點故障可靠性關鍵系統設計要求不允許有單點故障 方法之一就是設計時進行故障樹分析 找出一階最小割集 在其所在的層次或更高的層次增加 與門 并使 與門 盡可能接近頂事件 最小割集可以指導系統的故障診斷和維修如果系統某一故障模式發生了 則一定是該系統中與其對應的某一個最小割集中的全部底事件全部發生了 進行維修時 如果只修復某個故障部件 雖然能夠使系統恢復功能 但其可靠性水平還遠未恢復 根據最小割集的概念 只有修復同一最小割集中的所有部件故障 才能恢復系統可靠性 安全性設計水平 2020 4 14 可靠性設計 85 故障樹定性分析 示例根據與 或門的性質和割集的定義 可方便找出該故障樹的割集是 X1 X2 X3 X1 X2 X3 X2 X1 X1 X3 根據與 或門的性質和割集的定義 可方便找出該故障樹的最小割集是 X1 X2 X3 最小割集求解方法常用的有下行法與上行法兩種 2020 4 14 可靠性設計 86 下行法求解最小割集 故障樹 2020 4 14 可靠性設計 87 最小割集比較 根據最小割集含底事件數目 階數 排序 在各個底事件發生概率比較小 且相互差別不大的條件下 可按以下原則對最小割集進行比較 階數越小的最小割集越重要在低階最小割集中出現的底事件比高階最小割集中的底事件重要在最小割集階數相同的條件下 在不同最小割集中重復出現的次數越多的底事件越重要 2020 4 14 可靠性設計 88 故障樹定量分析 假設獨立性 底事件之間相互獨立 兩態性 元 部件和系統只有正常和故障兩種狀態指數分布 元 部件和系統壽命故障樹的數學描述結構函數典型邏輯門的結構函數結構函數示例單調關聯系統典型邏輯門的概率計算頂事件發生概率計算 2020 4 14 可靠性設計 89 故障樹結構函數 故障樹的數學描述 故障樹結構函數 表示系統狀態布爾函數 2020 4 14 可靠性設計 90 典型邏輯門的結構函數 2020 4 14 可靠性設計 91 結構函數示例 2020 4 14 可靠性設計 92 結構函數示例 2020 4 14 可靠性設計 93 單調關聯系統 定義指系統中任一組成單元的狀態由正常 故障 轉為故障 正常 不會使系統的狀態由故障 正常 轉為正常 故障 的系統 性質系統中的每一個元 部件對系統可靠性都有一定影響 只是影響程度不同 系統中所有元 部件故障 正常 系統一定故障 正常 系統中故障元 部件的修復不會使系統由正常轉為故障 正常元 部件故障不會使系統由故障轉為正常 單調關聯系統的可靠性不會比由相同元 部件構成的串聯系統壞 也不會比由相同元 部件構成的并聯系統好 2020 4 14 可靠性設計 94 典型邏輯門的概率計算 2020 4 14 可靠性設計 95 頂事件概率計算 最小割集之間不相交最小割集之間相交全概率法直接化法遞推化法近似算法示例1示例2 2020 4 14 可靠性設計 96 最小割集之間不相交 2020 4 14 可靠性設計 97 全概率法 2020 4 14 可靠性設計 98 直接化法 2020 4 14 可靠性設計 99 遞推化法 2020 4 14 可靠性設計 100 近似算法 一階近似 二階近似 2020 4 14 可靠性設計 101 故障樹 最小割集 x1 x4 x7 x5 x7 x3 x6 x8 一階近似算法 近似算法計算示例 2020 4 14 可靠性設計 102 頂事件概率計算示例 二階近似算法 2020 4 14 可靠性設計 103 示例2 2020 4 14 可靠性設計 104 示例2 直接化法 2020 4 14 可靠性設計 105 示例2 遞推化法 2020 4 14 可靠性設計 106 重要度分析 重要度的概念定義底事件或最小割集對頂事件發生的貢獻目的確定薄弱環節和改進設計方案重要度分類概率重要度結構重要度 2020 4 14 可靠性設計 107 概率重要度 概率重要度概念第i個部件不可靠度的變化引起系統不可靠度變化的程度 用數學公式表達為 概率重要度 元 部件不可靠度 頂事件發生概率 系統不可靠度 2020 4 14 可靠性設計 108 概率重要度 概率重要度示例已知 1 0 001 h 2 0 002 h 3 0 003 h 試求當t 100h時各部件的概率重要度 結構重要度和關鍵重要度 解 2020 4 14 可靠性設計 109 結構重要度 結構重要度概念元 部件在系統中所處位置的重要程度 與元 部件本身故障概率毫無關系 其數學表達式為 第i個元 部件的結構重要度 系統所含元 部件的數量 兩種狀態 2020 4 14 可靠性設計 110 結構重要度 結構重要度示例求解如圖所示故障樹中的底事件結構重要度解 二個部件 共有23 1 4種狀態 2020 4 14 可靠性設計 111 故障樹的邏輯簡化 故障樹的簡化 2020 4 14 可靠性設計 112 故障樹的簡化 2020 4 14 可靠性設計 113 故障樹的模塊分解 割頂點法示例 2020 4 14 可靠性設計 114 故障樹的早期不交化 當重復事件多時 無法應用模塊分解法 早期不交化可有效地消除重復事件 規則是遇到與門 其輸入 輸出均不變 遇到或門 對輸入不交化 2020 4 14 可靠性設計 115 故障樹示例 求解最小割集 頂事件概率計算算例 故障樹示例 3 ETA 2020 4 14 可靠性設計 117 內容提要 事件樹分析的基本概念事件樹的建造事件樹的定量分析ETA與FTA的綜合應用 2020 4 14 可靠性設計 118 事件樹分析的基本概念 初因事件 可能引發系統安全性后果的系統內部的故障或外部的事件 后續事件 在初因事件發生后 可能相繼發生的其他事件 這些事件可能是系統功能設計中所決定的某些備用設施或安全保證設施的啟用 也可能是系統外部正?；蚍钦Ｊ录陌l生 后續事件一般是按一定順序發生的 后果事件 由初因事件和后續事件的發生或不發生所構成的不同的結果 2020 4 14 可靠性設計 119 事件樹的分支 事件樹分析的基本概念 2020 4 14 可靠性設計 120 事件樹分析的基本概念 確定初因事件 確定和分析可能導致系統安全性后果的初因事件并進行分類 對那些可能導致相同事件樹的初因事件劃分為一類 建造事件樹 確定和分析初因事件發生后 可能相繼發生的后續事件 并進一步確定這些事件發生的先后順序 按后續事件發生或不發生 二態 分析各種可能的結果 找出后果事件 事件樹的建造過程也是對系統的一個再認識過程 事件樹的定量分析 對所建完的事件樹 收集 分析各事件的發生概率及其相互間的依賴關系 定量計算各后果事件的的發生概率 并進一步分析評估其風險 2020 4 14 可靠性設計 121 事件樹建造 連續運轉部件組成系統的事件樹有備用或安全裝置的系統事件樹考慮人為因素的事件樹 2020 4 14 可靠性設計 122 橋網絡系統事件樹 2020 4 14 可靠性設計 123 橋網絡系統簡化事件樹 2020 4 14 可靠性設計 124 有備用或安全裝置的系統事件樹 2020 4 14 可靠性設計 125 化學反應器事件樹 2020 4 14 可靠性設計 126 考慮人為因素的事件樹 2020 4 14 可靠性設計 127 事件樹化簡 當某一非正常事件的發生概率極低時可以不列入后續事件中 當某一后續事件發生后 其后的其他事件無論發生與否均不能減緩該事件鏈的后果時 該事件鏈即已結束 2020 4 14 可靠性設計 128 事件樹定量分析 確定初因事件的概率確定后續事件及各后果事件的發生概率評估各后果事件的風險 2020 4 14 可靠性設計 129 簡化計算后果事件的概率 P IS1S2 P I P S1 P S2 P I P IS1F2 P I P S1 P F2 P I P F2 P IF1S2 P I P F1 P S2 P I P F1 P IF1F2 P I P F1 P F2 2020 4 14 可靠性設計 130 橋網絡系統后果事件概率計算 若假定系統中的各部件的故障是獨立的 則可計算出橋網絡系統的可靠度為 Pi 是后果事件 為系統成功的事件鏈的發生概率 i 1 2 3 4 5 6 9 10 11 12 13 1