国内制造业乃至全球制造业中，军工行业与汽车行业的质量与可靠性工作开展得相对较好，其FMEA标准被别的行业广泛借鉴，但其DFMEA（设计FMEA）方法不太一样。在客户没有要求的情况下，企业采用哪种FMEA标准更好？本文梳理了汽车行业AIAG-VDA DFMEA与军工行业GJB DFMEA在17个方面的差异。

 

一、主要的行业FMEA标准介绍

 

军工行业的FMEA标准是“GJBZ 1391-2006故障模式、影响及危害性分析指南”（以下简称GJB DFMEA），汽车行业使用最广泛的FMEA标准是第五版“AIAG-VDA FMEA手册”（以下简称AIAG-VDA DFMEA ）。

 

AIAG-VDA DFMEA的主要工作分为以下七步：

 

 

GJB DFMEA的主要工作分为FMEA与CA两部分，合称为FMECA，如下图所示。

 

 

此外，其它的行业FMEA标准还有：

 

   SAE J1739，主要用于汽车与航空行业； 

 

   JEP 131C， 主要用于电子元器件行业；

 

   QJ 3050A， 用于国内航天行业。

 

二、 AIAG-VDA DFMEA与GJB DFMEA的主要差别

 

2.1 应用场景

 

GJB DFMEA的分析结果主要应用于装备可靠性、安全性、测试性、维修性、保障性的设计与分析工作；AIAG-VDA DFMEA是质量管理工作（依据IATF 16949标准）的重要组成部分，很多质量管理工作都需要DFMEA的分析结果，例如产品质量先期策划（APQP）、设计验证计划（DVP）、等。

 

那么，AIAG-VDA DFMEA能否直接用于通用质量特性的设计与分析？GJB DFMEA能否用于基于IATF 16949标准的质量管理工作？答案是否定的，接下来的内容将详细梳理它们之间的主要差别。

 

2.2 应用阶段

 

按照正向研发流程，在产品的需求分析完成后，开展功能设计与架构设计，然后进入详细设计阶段开展硬件设计与软件设计。AIAG-VDA DFMEA是应用在产品详细设计阶段，直到设计冻结；GJB DFMEA不仅应用在产品详细设计阶段的硬件DFEMA与软件DFMEA，也可用于功能设计阶段的功能DFEMA。

 

有朋友问，为什么AIAG-VDA DFMEA中先进行结构分析、再进行功能分析，这与正向研发流程不一样。按照正向研发流程，确实是先进行功能设计，再进行结构设计，但这些工作都已在DFMEA启动前完成，AIAG-VDA DFMEA是把这些已完成工作进行梳理、分析、加工。

 

2.3 工作管理

 

GJB DFMEA更多是在技术方面指导如何开展工作，管理方面的要求与指导相对较少。AIAG-VDA DFMEA在管理方面提出了更细致、更具体的工作要求，例如在团队组成、领导与协调、工作范围、项目计划、责任落实、进度要求、信息输入、结果输出等方面。

 

2.4 基准FMEA

 

FMEA工作效果更多取决于团队对产品失效信息的掌握程度，而不是团队对FMEA方法论的掌握程度。AIAG-VDA DFMEA提出了基准FMEA，有利于将产品在研制、生产、使用等阶段的失效分析信息及时更新到基准FMEA中，这也被称之为逆向FMEA（基于已发生失效的信息得出潜在失效的信息）。

 

根据新设计、新技术、新材料在新产品上的使用情况，对基准FMEA进行有限的修订与补充，可快速、高效完成新产品的FMEA工作。

 

2.5 任务剖面与环境剖面

 

GJB DFMEA要求分析产品的任务剖面。产品通常存在多种任务剖面，每个任务剖面又可分解为多个任务阶段，产品在各任务阶段可能承受着不同的工作应力与环境应力。环境剖面是对产品承受工作应力与环境应力的时序描述。

 

DFMEA是要分析由于设计缺陷所导致的产品在全寿命周期（制造完成直至产品到寿，包括包装储存、吊装转运、总机厂装配、用户使用等寿命阶段）的潜在失效，因此需要了解产品在这些阶段的环境剖面，特别是极限环境应力值，这样有助于分析清楚失效模式与失效原因。

 

AIAG-VDA DFMEA没有任务剖面与环境剖面的分析任务，也没有要求DFMEA启动前获得这些输入，不但容易遗漏某些失效模式与失效原因，也难以采取有效的预防措施与探测措施。

 

2.6 结构分析

 

结构分析的目的是将设计识别并分解为系统、子系统、组件、零件等若干层次，以便进行功能分析、失效分析与风险分析。

 

AIAG-VDA DFMEA将结构中每一项称之为系统要素，利用结构树、边界图描述系统各要素之间的关系。边界图中规定了系统要素之间以及与外界的5种接口关系：物理接触、物质传递、能量传递、信息交换、人机接口。AIAG-VDA DFMEA的结构层次一般分为整车、系统、子系统、组件、零件、零件特性6个级别。

 

GJB DFMEA的结构层次一般分为装备、系统、分系统、设备、部组件、零件6个级别，并且有约定层次的概念，需要特别关注“初始约定层次”与“最低约定层次”。初始约定层次是进行DFMEA的最高层次，也是最终影响的对象，通常由总体单位将研制的装备定义为初始约定层次。最低约定层次是DFMEA的最低层次，但未必是零件层，装备总体单位与设备承制单位的合同中会约定设备的维修级别，一般将最低维修级别对应的产品层次作为最低约定层次。 

 

2.7 功能分析

 

AIAG-VDA DFMEA的功能树依托于结构树：在结构树的每个系统要素下补充出功能及功能要求后得到功能树。GJB DFMEA的功能树形式与AIAG-VDA DFMEA的不一样，不但与结构树分离展示，也没有功能要求的信息，如下图所示：

 

 

除了功能树，AIAG-VDA DFMEA的功能分析工具还有功能结构矩阵图；GJB DFMEA的功能分析工具还有功能框图、任务可靠性框图，以上工具都有利于梳理清楚结构与功能之间的对应关系。

 

AIAG-VDA DFMEA还提供了参数图这一利器，如下图所示。参数图能够帮助分析人员梳理清楚关键系统要素的输入、预期输出、非预期输出、系统要素的功能、功能性要求、非功能性要求、可控制因素、噪音因素等信息，不仅有利于功能分析，而且可用于失效分析、以及正向设计。

 

 

AIAG-VDA DFMEA需要分析三类功能：基本功能、辅助功能（接口功能、诊断功能、等）、非功能（质量、尺寸等设计约束类条件）；GJB DFMEA主要分析基本功能。

 

2.8 失效模式

 

如何梳理清楚产品各层级潜在的失效模式是DFMEA的关键。AIAG-VDA DFMEA根据系统要素功能要求（包括法律法规要求、客户要求、行业要求、内部要求）不能满足的情况，首先确定出功能失效模式，然后确定系统要素（硬件、软件）失效模式。

 

 

功能失效模式分为7大类：功能丧失、功能退化、功能间歇、功能延迟、部分功能、过度功能、非预期功能。例如，首先确定功能失效模式为：XX无电流输出（属于功能丧失），进一步确定系统要素失效模式为：XX断路。对于高层次产品，通常只分析到功能失效模式。

 

GJB DFMEA中提出要从失效判据得出失效模式，并简要给出了失效判据的几种来源，但工程实践中的可操作性不强。AIAG-VDA DFMEA中实际上是将功能要求作为功能是否失效的判据，工程实践中的可操作性相对较强。

 

功能与功能要求是否完整、准确直接影响AIAG-VDA DFMEA的效果，这需要在启动DFMEA之前较好完成需求分析与确认、功能设计等工作。为了在后续的通用质量特性设计与分析工作中方便索引或调用失效模式，GJB DFMEA要求按照约定层次对各失效模式进行编码。

 

2.9 任务阶段与工作方式

 

GJB DFMEA需要分析产品失效时所处的任务阶段与工作方式，这与失效影响、失效检测方法、使用补偿措施等分析工作相关。例如，一架飞机在推出阶段与空中飞行阶段，机电系统发生了同样的失效模式，失效影响是不一样的。

 

DFMEA是分析由于设计缺陷造成产品在全寿命周期各阶段的潜在失效模式及其影响，各阶段的噪声因子是不同的，因此产品失效模式与失效原因也有差别。AIAG-VDA DFMEA没有任务剖面与环境剖面的分析工作，容易遗漏失效原因。

 

2.10 失效影响

 

AIAG-VDA DFMEA与GJB DFMEA的失效影响都分为三个层次：“局部影响”、“高一层次影响”和“最终影响”。

 

GJB DFMEA明确指出“局部影响”是指失效模式对本产品及相同层次其它产品使用、功能及状态的影响。可从功能的输入、输出考虑“局部影响”，例如，如果A失效并且对自身的影响是功能无法正常输出，那么对同一层次产品B的影响是：由于A无法提供B的正常输入，导致其失效。据此，GJB DFMEA要求对失效原因的分析需要考虑同层次产品失效。

 

GJB DFMEA中的“最终影响”是关注对初始约定层次产品使用、功能及状态的影响；AIAG-VDA DFMEA的“最终影响”是关注对法律法规、产品用户的影响。GJB DFMEA中的“最终影响”更多关注装备与人员的损害程度，AIAG-VDA DFMEA的“最终影响”更多关注用户体验。

 

2.11 失效原因

 

系统要素的失效原因来源有：下层次产品的失效、同层次产品的失效、噪声因子、设计的缺陷，等。常常因为对它们之间的逻辑关系不清楚，造成失效原因分析的思路混乱。

 

根据失效链，我们可以轻松获取关注要素的失效原因，即下层要素的失效模式。失效模式的通常描述方法是：XX断裂、XX短路、XX腐蚀、等，这些是失效的直接原因，但不能提供足够的信息用于制定预防措施、探测措施以及设计改进。失效原因可分为直接原因、间接原因、根本原因三个深度，根本原因分析在不同的场景下有不同的内涵（8D、5Why、故障归零，等），对于DFMEA场景，根本原因分析应该溯源到设计方面的缺陷。

 

例如：

 

直接原因：XX断裂；

 

间接原因：跌落造成XX断裂（此处的噪声因子是外部环境：力学冲击）；

 

根本原因1：由于没有防护设计，跌落造成XX断裂（溯源到设计方面的缺陷，从是否防住噪音因子的角度）。

 

根本原因2：所选材料的强度不够，跌落造成XX断裂（溯源到设计方面的缺陷，从底层要素的产品特性角度）。

 

噪声因子属于失效的间接原因，通常被作为DV试验的试验条件。例如，针对跌落造成XX断裂，探测措施应该是力学冲击类环境试验，根据跌落的高度、角度、次数等信息设置试验条件。

 

需要指出的是，如果忽略噪声因子，根据失效网很容易将关注要素失效的根本原因归结到底层要素的产品特性不满足要求，例如元器件选型不正确、零件的尺寸不符、硬度不够等，这样是不充分的。试想，如果底层要素都是零缺陷产品，根据失效网，就没有失效可以传递给上层的关注要素，那么关注要素就不会失效吗？按照这个思路，个人即使没有专业知识，也可以设计火箭了，只要选型业界可靠性最高的零部件、元器件就可以；即使出现问题，失效根本原因也是底层要素的原因嘛，和个人设计能力无关。

 

总之，DFMEA中进行失效原因分析时，需要：1）考虑噪声因子的影响，对间接原因进行分析；2）开展根本原因分析，溯源到设计方面的缺陷。

 

2.12 失效链与失效网

 

GJB DFMEA虽然没有明确提出失效链的说法，但是有失效链的思维，如下图所示。同时可以看出GJB DFMEA推荐的失效分析顺序是从下到上逐层展开，首先分析最低约定层次产品的失效模式、失效原因、对高一层次的影响。

 

 

AIAG-VDA DFMEA明确提出了失效链与失效网的概念，阐述了失效影响（FE）、失效模式（FM）、失效起因（FC）三者之间的关系，如下图所示。

 

 

AIAG-VDA DFMEA中没有明确给出建立失效链的步骤，笔者的做法：首先是根据各层次的功能要求可能不被满足的情况确定出各层次潜在的失效模式；然后按照上一层次失效模式是本层次失效影响、下一层次失效模式是本层次失效原因的逻辑关系，建立各层次关注要素的失效链；最后连成失效网。这与GJB DFMEA推荐的由下层至上层的分析顺序不一样。

 

各层次的设计责任往往不是同一个人、甚至不是同一个团队或单位，在建立失效链与失效网的过程中需要有质疑、讨论甚至争论的活动，从而提升失效链与失效网的准确性、完整性。

 

2.13 预防措施

 

预防措施是分析在当前设计过程中采取了哪些预防失效起因发生的措施，例如，是否采用了成熟设计的最佳经验、落实了企业的可靠性设计规范、参考了行业标准或设计手册、开展了仿真分析、吸取了类似产品的经验教训、遵守了相关法律法规、等。

 

GJB DFMEA中没有预防措施的分析活动；AIAG-VDA DFMEA中有预防措施的分析活动。

 

2.14 探测措施与失效检测方法

 

探测措施与失效检测方法不是一回事，探测措施是在产品设计冻结之前用于发现失效模式或失效原因的手段，失效检测方法是在产品使用阶段用于发现失效模式或失效原因的手段。 AIAG-VDA DFMEA有探测措施分析活动，没有失效检测方法分析活动；与之相反，GJB DFMEA有失效检测方法的分析活动，没有探测措施的分析活动。

 

探测措施包括：仿真测试、功能性能测试（通过/不通过测试）、环境适应性测试、寿命测试、老化测试、等。需要了解,不是所有的探测措施都可作为DVP（设计验证计划）项目，将DVP比喻成期末测试，一些探测措施只是随堂测试（仿真测试、功能性能测试）。

 

失效检测方法包括：人工检查、机内测试（BIT，Built-in test）、外部测试(自动测试系统，ATS)等，这些手段主要是对失效模式的检测，为测试性、维修性的设计与分析提供依据。近几年，PHM方法也逐渐被用作失效检测手段，主要是对关键性能参数与潜在失效原因进行监测，能够在产品失效前进行预警。

 

既然GJB DFMEA没有探测措施的分析活动，那么装备的DVP如何确定与开展？军品的设计验证试验是依据军工行业标准开展，主要有两类：其一是GJB 150系列的环境适应性试验、其二是GJB 899 规定的可靠性鉴定与验收试验。这些试验并没有针对具体产品的失效模式与失效原因。

 

2.15 风险分析

 

AIAG-VDA DFMEA的风险分析属于定性分析，首先分别评价失效影响的严酷度（S）、失效原因的发生度（O）、失效模式\原因的探测度（D），然后根据S、O、D的评分情况确定措施优先级（AP）。

 

GJB DFMEA的风险分析（CA）既有定性分析法又有定量分析法，定性分析方法包括风险优先数(RPN)法和风险矩阵法，其中风险优先数法应用较广，风险优先数RPN值等于失效模式的严酷度等级(ESR)和失效模式的发生概率等级(OPR)的乘积。与AIAG-VDA DFMEA相比，GJB DFMEA风险优先数法：1）没有考虑失效模式\原因的探测度；2）发生概率等级OPR是针对失效模式而不是失效原因。

 

GJB DFMEA的定量风险分析（CA）法比较复杂，关键是要计算出各失效模式的危害度，计算方法如下图所示。元器件的失效率可以查手册获取，其它层次产品的失效率需要通过故障树(FTA)进行计算。

 

 

2.16 优化措施与设计改进措施

 

AIAG-VDA DFMEA的优化措施包括对预防措施和探测措施的优化，优化的预防措施用于降低严酷度（S，消除某些失效模式及其影响）或发生度（O）， 优化的探测措施用于降低探测度（D）。

 

GJB DFMEA的设计改进措施也属于一种优化措施，包括：进行冗余、备份设计，设计安全或保险装置，采取优选元器件、热设计、降额设计等措施，从而降低失效模式的严酷度等级(ESR)和失效模式的发生概率等级(OPR)。

 

2.17 使用补偿措施

 

GJB DFMEA有使用补偿措施的分析，AIAG-VDA DFMEA没有此项。使用补偿措施是在产品无奏效的设计改进措施情况下，在使用阶段可采取的降低产品失效概率或失效影响的措施。

 

使用补偿措施分为两类：失效前措施、失效后措施。失效前措施包括：预防性检测、定期进行维护、等，用于减少失效发生度；失效后措施包括：切断失效模块、人工干预、等，用于降低失效影响。

 

例如，笔者之前有台笔记本电脑，尤其在夏天会因为散热不好死机，当听到电脑内部风扇沉重的哮喘声时，笔者会用外部风扇帮助笔记本散热，这属于失效前的使用补偿措施，降低了失效发生度；当电脑发生死机这一失效模式后，笔者会重启电脑，这属于失效后的使用补偿措施，降低了失效影响。