新版FMEA结构分析分层方法及问题探讨

结构分析的定义

如何进行结构分析

结构分层分析方法与结构树

结构分层与功能/失效链的关系

结构分层的一些疑问思考

层级关系进一步探讨

总结

本文主要是关于产品结构分析的层级划分相关思考（包括边界图与结构树）。结构分层是新版FMEA的一个重要基础（结构树/功能树/失效树），在FMEA软件和可靠性软件中的应用。

对结构分层的问题：如何划分层级？分层有没有规则定义？上下层级是直接连接的吗？边界图/结构树与层级划分的关系？结构分层与功能/失效的关系如何？三层结构/分析失效会有什么问题？下面我们一一进行探讨。

1、前言

前面《新版FMEA的正确打开方式》，我们谈到一个原则：谁设计谁负责，做好自己的工作，

即“结构-功能-失效” 的分析。

道理很简单，正如网友评论，看看失效链：

前端负责原因的是供应商，后端负责影响是客户，难道你比他们负责设计的一方更了解其产品的失效？

我们在此基础上来聊聊结构分析，同时也会对上面理念进行应用拓展。

2、结构分析定义

按照新版FMEA手册：

“结构分析的目的是将产品识别和分解为系统、子系统、组件和零件,以便进行技术风险分析。

结构分析的主要目标是:分析范围的可视化结构树或其它:方块图、边界图、数字模型、实体零件接口、交互作用和间隙的识别顾客和供应商工程团队之间的协作(接口职责)功能分析步骤的基础”

将分析对象的结构/关系清楚地解析呈现出来！抓住两点：层级关系和接口关系。

前者德系着重，后者美系看重；为什么？两者需要如何结合起来才？各位不妨思考一下！

3、如何进行结构分析？

拆解产品：列出有哪些零部件 （假设我们3D版已有了；当然，如果有实物就更好了：拆一拆，看一看，摸一摸，感受更深）。

一般我们可以看产品爆炸图，直观/有序，一览无遗，可视化好：划分层级：

根据顾客定义

手册中已经给出经典四层建议：系统、子系统、组件和零件，直接参考顾客技术要求（比如SOR）定义归类即可（层级名称无所谓，你甚至可以说成是1/2/3/4，代号而已；分多少层看你的产品结构，根据你的实际需要而定）。

根据BOM划分

其实，我们查看产品BOM表的层级划分最直接，更快捷，最实用。

当然，你的BOM可能没有上级（客户）或同级产品信息，则需要你去获得并添加上（参见产品系统图/原理图/边界图/结构图）；

自己定义如果BOM没有显示层级或比较混乱，则可据结构/功能法则去划分：要么平行，要么从属。层级划分问题：

- BOM是如何划分层级的？

- 有规则吗？重要吗？

其实上面已经说了，这些问题不重要！

BOM的层级划分已经约定俗成了；整车几大功能系统，往下按结构/功能拆解；遵循一个非常简单的原则，就是系统的从属关系；层级是否是直接关系也没那么重要！后面我们会继续谈到。

III.  理清关系：

搞清楚关注对象的接口与对外连接关系；这才是重要的事情！推荐的工具是边界图/接口矩阵。“边界图，也称之为方块图/方框图，是一种图表展示法，用于描述考虑中的系统及其与相邻系统、环境和顾客的接口，通过边界图可以展示产品各系统元素之间的物理和逻辑关系。”边界图有两种(后者从前者引申)：产品结构示意图，标识所有系统/零部件之间及与外部系统/环境之间的所有关系；关注对象边界图，凸显关注对象与外界的关系，以作为功能分析的基础。圆珠笔边界图，展示所有零件结构关系

白色周边---第〇级系统（产品之外）

深蓝边框---第一级系统

米黄方框---第二级子系统

灰色方框---第三级部件/零件

RFMEA软件中的起动机边界图，

重点在对外接口；内部为下一层级，不再往下深究。

我们使用边界图的作用是：识别关注对象分析范围，显示产品零部件间的层级关系，识别与周边系统/环境的接口关联，系统元素之间的关系不外乎：相互影响、相互独立、单向影响

注意：边界图连接关系背后的核心是功能关系（方框的背后是功能模块）。

边界图的构造与制作，接口分析等相关描述在新版FMEA手册中非常详细，这里就不赘述，请移步手册阅读；或者等后面有机会我们再聊。

5、结构/功能分层分析方法与结构树

其实如果完成边界图，结构已经基本清楚了；在进一步展开之前，这里先列出一些基本概念/定义：系统由系统要素组成；系统要素是独立的具有功能的元件/组件/项目(item)；

系统要素可以是系统、子系统、部件、零件；系统要素不是功能/要求或特性！任何产品都可视为一个系统；系统有一个边界，将自身与其他系统和环境分开；系统与外界的关系由输入和输出决定(可由此定义功能)； (参见新版FMEA手册P20)

这些概念需要去深入理解；当然，现在不用多想，我们继续。

我们知道结构分析的首要目的是要为功能/失效分析打基础；基于此目的，对一个系统/产品进行结构分析，一般的思路有两种（或者两种方法综合，看系统结构/功能的复杂程度，灵活运用）：

硬件法：当所分析的产品已经有了明确的工程设计思路和设计资料时采用，该方法适用于从零件层开始分析，然后是部件层、子系统层逐步地自底向上分析至系统级；

功能法：当所分析产品的构成还未明确时采用。该方法适用于从系统层开始分析，然后是子系统层、部件层逐步地自顶向下分析至零件层。这种方法比较符合设计学的思路和宗旨。

功能与结构分层关联示意，功能分解，结构组合；

一个功能可以赋予几个结构；一个结构也可以有多个功能；理清一种（结构/功能）为基础，

再与对应（功能/结构）相结合；以后有机会再谈。

显然，新版手册主要采用硬件法，毕竟3D/2D甚至实物都有了嘛。从底层零件开始组合排列，最后，得到分层排列的系统组成要素，形成结构树。

系统分解，结构树法分层示意（特性属于零件功能要求，结构上需要可单独拿出来凑层）

虽然边界图已理清了零部件、层级和接口，但其结果要落在结构树上（按新版脉络）。

（当然你也有其他选择）结构树的作用是：显示系统层级/从属关系，它为功能分析打下基础，最终目的是失效链，即构成失效影响/模式/原因！为风险分析打下基础！

（注：边界图和结构树皆可构建层级关系；实际应用中，边界图更多用于分析接口关系，而结构树则用于构建功能关系和失效链）。

6、结构分析与功能/失效链的关系

为什么要做结构分析？为功能分析打下基础！其实结构分层是要挂功能，为什么要组成三层结构？是要建立功能关联关系，进而搭建三层的失效链！

总起来就是：要分析产品功能，（功能是FMEA分析基础）分析其对外的关联关系；不用对内分析关联关系；因为内部关联关系是其内部子系统的功能。

这一概念非常重要，可以避免功能或者失效在层级上的混淆！

根据输入输出定功能F(X)，（视作一个函数，接口也是输入）每一个分析对象都可如此！（参见新版FMEA手册P27）我们在后续功能分析中再继续聊！

利用分层搭建三层关系来分析功能网和失效链；参见《新版FMEA隐含的正确打开方式》中所述：各层级只需要做好自己层的分析，构建结构-功能-失效关系就可以了；

然后协调、汇总、关联，如果各层级共同协作，甚至可以完成整车全部层级的结构/功能/失效网；这可以说是FMEA分析最的状态了！

7、结构分层的一些疑问

结构分层到哪?前面提到FMEA手册中在结构分析时说：“系统由系统要素组成，系统要素不是功能、要求或特性；”在功能分析时也说：“例如密封件、润滑脂、夹具、支架、外壳、连接件、焊剂等都有功能和要求，此功能和要求包括材料、形状和厚度等等。” 即材料/特性/尺寸等设计特性，属于其功能/要求范畴，是抽象的概念；（参见新版手册p30.）最小的系统要素不是功能，要求和特性，那是什么呢？手册里面看到的是零件/人机料环。

所以一般系统结构分析：DFMEA分解到零件（最小功能结构？）即可；

PFMEA分解到人机料环（作业要素）即可；这些最低层都是实实在在的存在，可视化好！可理解性强！

8、层级关系进一步探讨：

到底要分多少层？分层根据实际应用需要，随便你怎么划分！只要遵从系统从属关系就可以，

其构建的功能关系也是从属关系，推导出的失效关系也是因果关系。我们就可以在此基础上进行进一步的分析。在实际工作中，我们一般搭建的是上中下三层，这往往是不够的；三层结构成为失效从某种角度来看，中间失效模式的位置并不重要？因为他们都是中间原因？

将其左右移动一下，看看会是什么情况？大家不妨天马行空，想想看！

如果采用前面所说《新版FMEA隐含的正确打开方式》文中提到的各分析一层，然后综合起来成为一体（整车/产品）则又可以解决这个根本原因和最终影响的问题了！

由此看来，FMEA工作不但是跨部门协作，还要能跨公司合做啊！

怪不得，新版FMEA如此重视上下游之间的协作！

结构分层存在什么问题？分层结构使其层次清晰，可视化，系统化；不过，仔细看其内在关系：分层建立了普天同庆的失效链，同时也可能割裂其失效机理；分层是有限的，因果是的！

图中发动机这一层的失效原因有两个（第一级和第二级），互为因果分层得到的失效链，是每一层级功能的失效，只是该层级的一个结果，一个最终状态！而失效可能是一个状态变化过程，一个功能退化过程。比如上图中，发动机这个层级，发动机损坏是一个最终结果，发动机过热导致损坏，发热是一个过程，过热膨胀是一个过程，膨胀到卡滞也是一个过程，卡滞到损坏还是一个过程，而我们可能仅观察到其中的一个瞬态。在同一个层级中，有多个因果关系的种种失效，这容易造成混淆。可见，分层结构树的一个缺点是不能显示完整失效机理！

文中部分图片来自于网络，版权归原作者所有！

作者简介：

郭连：国可工软咨询师，微信公众号主编，FMEA相关技术文章近100篇。

郭老师有20年工作经历，进入可靠性行业之前一直在汽车企业工作，内容包括汽车零部件产品开发，设计质量管理，制造问题解决，汽车开发工程项目支持等；曾分别就职于国企、欧美外企、国内上市企业；其中主机厂经历包括长安福特/沃尔沃/菲亚特克莱斯勒等。

郭老师在产品开发流程，设计质量控制及问题解决方法论三个方面有着深入的研究和独到的见解，欢迎留言交流！

国可工软科技有限公司（以下简称“国可”），是国内提供可靠性技术咨询和软件服务的科技创新企业，总部位于上海，在苏州、深圳、西安、大连、武汉等地设有分支机构。通过整合国内外资源，国可致力构建培训、咨询、自主研发软件、论坛为一体的可靠性技术服务生态圈，为企业提供、便捷、的可靠性整体解决方案。

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