可靠性失效分析常见思路（二）

　　失效树分析法是一种逻辑分析方法。逻辑分析法包括事件树分析法(简称ETA)、管理失误和风险树分析法(简称MORT)和失效树分析法(简称FTA)等。这里只介绍失效树分析法。

　　图2材料失效抗力指标与成分、组织、状态关系示意图

　　失效树分析(FaultTreeAnalysis)早在20世纪60年代初就由美国贝尔研究所首先用于民兵导弹的控制系统设计上,为预测导弹发射的随机失效概率做出了贡献。此后许多人对失效树分析的理论和应用进行了研究。1974年美国原子能管理委员会主要采用失效树分析商用原子反应堆安全性的Wash-1400报告,进一步推动了对失效树的研究和应用。迄今FTA法在国外已被公认为当前对复杂安全性、可靠性分析的一种好方法。

　　失效树分析法

　　失效树分析法是:在系统设计过程中,通过对可能造成系统失效的各种因素(包括软件、硬件、环境、人为因素等)进行分析,画出逻辑框图(即失效树),从而确定系统失效原因的各种可能的组合方式或发生概率,以计算系统失效概率,采取相应的纠正措施,以提高系统可靠性的一种设计分析方法。

　　FTA法具有很大的灵活性,即不是局限于对系统可靠性作一般的分析,而且可以分析系统的各种失效状态。不仅可分析某些元部件失效对系统的影响,还可以对导致这些元部件失效的特殊原因进行分析。

　　FTA法是一种图形演绎方法,是失效事件在一定条件下的逻辑推理方法。它可以围绕某些特定的失效状态作层层深入的分析。因而在清晰的失效树图形下,表达了系统的内在联系,并指出元部件失效与系统之间的逻辑关系,找出系统的薄弱环节。

　　FTA法不仅可以进行定性的逻辑推导分析,而且可以定量地计算复杂系统的失效概率及其他的可靠性参数,为改善和评估系统的可靠性提供定量的数据。

　　FTA法的步骤,因评价对象、分析目的、精细程度等而不同,但一般可按如下的步骤进行:①失效树的建造;②失效树的定性分析;③失效树的定量分析;④基本事件的重要度分析。

　　失效树的建造是一件十分复杂和仔细的工作,要求注意以下几点:

　　(1)失效分析人员在建树前必须对所分析的系统有深刻的了解。

　　(2)失效事件的定义要明确,否则树中可能出现逻辑混乱乃至矛盾、错误。

　　(3)选好顶事件,若顶事件选择不当就有可能无法分析和计算。对同一个系统,选取不同的顶事件,其结果是不同的。在一般情况下,顶事件可以通过初步的失效分析,可从各种失效模式中找出该系统最可能发生的失效模式作为顶事件。

　　(4)合理确定系统的边界条件—-规定所建立的失效树的状况。有了边界条件就明确了失效树建到何处为止。边界条件一般包括确定顶事件、确定初始条件和确定不许可的事件等。

　　(5)对系统中各事件之间的逻辑关系及条件必须分析清楚,不能有逻辑上的紊乱及条件上的矛盾。

　　例如,低合金超高强度钢一般在低温回火或等温(马氏体等温或贝氏体等温)淬火状态下使用。在服役期间,低合金超高强度钢也常发生断裂失效(破坏)。失效树的顶事件就是构件的破坏。这种破坏可由不同的事件——疲劳、过载、应力腐蚀开裂及具有最大可能性的氢脆等等——造成的。这些事件,每一个都通过“或门”与顶事件相连(图3)。断口分析表明,失效残骸的断口形态不同于过载和疲劳。因此,过载和疲劳是不发展事件,并分别用棱形表示 中国可靠性论坛:http://kekaoxing.com/club

　　在图3中。当然如果断口分析不能排除这些事件时,那么仍有必要进一步地发展。对于氢脆来说,它是在临界应力强度和临界含氢量共同作用下发生的,因此临界应力强度(图3中的事件15)和临界含氢量(图3中的事件14)应采用“与门”与氢脆(图3中的事件4)相连,其中临界含氢量为不发展事件。

　　应力腐蚀开裂(图3中事件3)则是临界应力强度(图3中事件6)和造成开裂元素的临界浓度可以是临界氢浓度(图3中事件10),也可以是除氢以外的其他物质的临界含量(图3中事件11),这样事件10和事件11应用“或门”与事件7相连。事件10和事件11均为不发展事件,故均用棱形框表示。可以看出,如果认为应力腐蚀开裂与氢脆都是由于临界应力强度上临界氢浓度引起的,那末在失效树的第一行不能区分应力腐蚀开裂和氢脆,不过,应力腐蚀开裂和氢脆应该在断裂源的起始位置上找到差别。应力腐蚀开裂的临界氢浓度应在暴露表面上显示出来,因此它的断裂源一般在“暴露表面上”,而氢脆的临界氢浓度可能在电镀表面或次表面先达到,因此它的断裂源应在电镀表面上或次表面上。所以是应力腐蚀开裂还是氢脆在失效树的第二行就可以初步确定了。虽然应力腐蚀开裂和氢脆的条件之一都是临界应力强度,并且它们临界应力强度都取决于构件上的载荷(事件8和事件16)和材料的流变应力大于材料的临界门槛应力σi(当然,应力腐蚀的门槛应力数值与氢脆的门槛应力数值不同),但是由于应力腐蚀开裂一般起始于暴露表面,构件的表面流变应力对构件的平均载荷不敏感,而对表面的加工缺陷等原因所造成应力集中或应变集中则十分敏感,因而在应力腐蚀系统中,加工缺陷处的流变应力大于材料的应力腐蚀门槛应力用“或门”与事件9相连;在氢脆系统中,由于氢脆一般起源于电镀层的次表面,构件上的载荷(事件16)可以是施加的载荷(事件18)也可以是构件内部的残余应力(事件19),故事件18和事件19用“或门”与事件16相连。材料的氢脆门槛应力受表面加工缺陷的影响较小,不需要进一步的展开分析(事件17为不发展事件)了。

　　从以上FTA法在构件断裂失效分析中的具体应用情况可以看出,FTA法可以对特定的失效事件作层层深入地逻辑推理分析,在清晰的失效树的帮助下,最后找到这一特定失效事件的失效原因或该构件的薄弱环节,因此,FTA法是进行失效分析的好方法之一。

失效树建立后可以进行定性的也可以是定量的分析。失效树的定性分析的目的是为了寻找系统的最薄弱的环节,即发现系统最容易发生失效的环节,以便集中力量解决这些薄弱环节,提高系统的可靠性。失效树的定量分析的任务就是要计算或估计系统顶事件发生的概率及系统的一些可靠性指标。一般来说,多部件复杂系统的失效树定量分析是十分困难的。有时无法用解析法求其精确结果,而只能用一些简化的方法进行估算。

　　图3某超高强度钢构件破坏的失效树 kekaoxing.com/club

　　1.构件破坏2.过载3.应力腐蚀4.氢脆5.疲劳6.临界应力强度7.造成开裂元素的临界浓度 8.构件上的载荷9.流变应力>σi10.临界氢含量11.除氢以外,其它物质的临界含量12.加工缺陷>σi13.使用过程中的发展14.临界氢含量15.临界应力强度16.流变应力>σi17.构件上的载荷18.施加载荷>i19.残余应力>Si

　　3 结语

　　失效分析思路是失效分析成败的关键之一,特别是在复杂的失效分析过程中失效分析思路显得尤为重要。根据失效状况的不同,需要合理选择正确的失效分析思路。笔者介绍了几种常用的分析思路,除此之外还有许多实用的思路,如基于安全系统工程分析法的统计图分析法、文字表格法和逻辑分析法等。