基于探测效果的测试分类方法研究

摘 要：新版DFMEA已于2019年6月发布，其将测试手段分为通过测试、失效测试和老化测试三大类，此分类方法有别于常规的分类。鉴于此，探索和研究了三种测试方法的明确定义，指出这种分类方法的依据在于探测效果的不同，列举了典型的测试案例，有助于从业者更加有效地使用FMEA工具来进行技术风险控制。

关键词：风险管理;测试分类;探测度果;设计失效模式

0    引言

在全球化的市场环境中，产品质量的高低，不仅关系到产品的市场竞争能力，而且关系到企业的生存和发展，关系到企业的形象和信誉，因而质量保证体系是企业发展与成长之根本，这已经成为中国企业的共识。

ISO 9001质量保证体系的8.5.1节中提到，在产品的开发过程中，需要考虑开发的产品和服务的特性以及失败的潜在后果。针对汽车行业的IATF 16949质量体系，更是明确规定失效模式影响和分析（FMEA）为其五大核心工具之一。

业界比较认可的FMEA的定义是：在产品设计和过程设计的早期阶段，对产品以及构成产品的子系统、零件（或构成过程的各个工序）等进行分析，找出潜在的失效模式，分析其潜在的影响和发生的起因，从多个维度来评价和衡量风险程度，实施有针对性的改进，达到降低风险的目的。

一直以来，AIAG（美国汽车工业行动集团）和VDA（德国汽车工业联合会）都有不同的FMEA技术手册，这造成了供应链的重复培训和认证，导致了浪费。2019年6月，AIAG组织和VDA组织联合发布了新版的FMEA手册：AIAG VAD FMEA 2019年第1版。在新的手册中，用“七步法”结构化的方法，替代了AIAG原来的“头脑风暴法”，操作性更强，对失效模式的揭露更加全面。不但如此，DFMEA的SOD三个评级表及措施优先级表格都有了重大的改变[1]。在DFMEA探测度（D）评判表中提到了新的测试分类方法，但新方法指向模糊，给从业者带了十分大的困扰。本文试图对基于探测度的测试分类方法进行探索和研究。

1    探测度（D）评判表适用的测试分类

为了掌握零部件、模块和整机的质量水平，验证产品是否满足预期的用途和功能要求，除对失效造成的客户的影响进行评级（严重度，Severity）外，也要对失效以及失效的原因进行预防，降低发生度（Occurrence），最终还必须进行一系列的测试，保证合适的探测度（Detection），从而达到优化设计、降低风险的目的。

如表1所示，在新版DFMEA的可检测度评级表中，以“探测方法成熟度”（测试程序的成熟是否验证过和测试时间在项目靠前还是靠后）和“探测机会”两个维度来进行衡量。在“探测机会”中列出了三种测试类型：通过测试、失效测试和老化测试[1]。

可以从新的评级表看出，三种检查手段的效力是不一样的。如果是通过测试，则探测度的评级至少是4分，反过来，如果采用老化测试，则探测度的评级最多可以降低到2分。探测度评级分数越小，表明探测的效果越好，越能够揭露失效模式或失效原因。

2    调查和溯源

测试的类型很多，从不同的角度出发，有不同的分类方法。根据测试的层次关系，可以分为材料测试、机械性能测试、电学性能测试、产品功能测试、环境可靠性测试等。根据测试的场地，可以分为现场测试、模拟场地测试和台架测试。根据样件的破坏情况，可以分为破坏性测试和无损检测。按照验证的阶段，可以分为DV设计验证和PV生产验证。根据开展测试的实验机构，可以分为客户测试、内部測试和第三方测试等[2]。

DFMEA将测试手段分为通过测试、失效测试和老化测试。这三种测试方法之间究竟有什么联系和区别呢？手册并没有明确地定义，有必要进行进一步的探索和研究。

溯源FMEA的改版历史，可以发现这三种测试分类的提法最早出现在AIAG FMEA手册2008年第4版中。2019年，AIAG和VDA在发布合版的时候，作为妥协的产物，只借用AIAG三种测试分类的名称，却省略了说明，如表2所示。

在新版FMEA的作者作出进一步勘误和说明之前，比较合理的办法，是拓展使用AIAG FMEA手册2008年第4版中的定义。

3    探测效果和典型案例

考察2008版本FMEA，发现对于测试分类的定义的可操作性仍然是很薄弱的，有必要作进一步的分析和归纳。研究证明，三种方法的聚焦点和数据完备程度不一样。数据越充分，探测效果越好，探测度就越好（得分就越低）。

3.1    通过测试（Pass-Fail Testing）

只测试和验证样件的功能，而不再进行任何延伸测试。如果样品通过测试，就判定为“通过”;如果没有通过测试，就判定为“不通过”[3]。其判断逻辑如图1所示。

电通断测试是通过测试比较典型的案例。电通断测试并不记录每一个回路的电阻，只测试回路电阻是否在阈值以下（阈值设置典型值：100 Ω），如果测试全部通过，就打印电测试合格标签，如图2所示。可以看出，阈值100 Ω是比较大的，有些线束缺陷根本测试不出来，例如电线的压接电阻过大（毫欧级别的变化）、绝缘层的破损（需要加高压测试绝缘电阻）。

所以，通过测试的控制指向为产品的性能指标。通过测试的优点：快速进行符合性判断、衡量和评价;通过测试的缺点：定性分析，得到的数据少，比较难以开展进一步的产品改进。通过测试获得的数据为布尔类型（0，1）。

3.2    失效测试（Test to Failure Testing）

样件需要经过持续加载测试或者加速测试，直到样品失效产生后，测试才停止。然后可以展开对故障的根本原因调查，如有必要，改进设计以消除原因[3]。

3.2.1    持续增加载荷测试

载荷持续增加，直到样件失效（出现裂缝、断裂、失去功能），考察其极限性能，如图3所示。

拉力测试是失效测试比较典型的案例。拉力持续增加载荷直到试棒断裂，如图4所示。

3.2.2    加速寿命测试

采用高于失效的载荷水平来进行循环加速测试，可以在比较少的循环中揭露系统中的瓶颈和发现失效形态，如图5所示。

典型的示例测试包括HALT（Highly Accelerated Life Test，高度加速寿命测试）。HALT可能会检测出“裕度”大小、组件较弱等设计问题，如图6所示。HALT尤其在电子信息行业比较常见，因为电子产品的更新换代特别快，常规的寿命测试耗时太长，将可能错过抓住市场机会。

失效测试的控制指向为载荷水平。失效测试的优点：能够快速发现系统中的弱点和失效形态，有利于开展产品改进;失效测试的缺点：破坏性试验，耗费样品费用。失效测试获得的数据类型为少量数值。

3.3    老化测试（Degradation Testing）

样品经过一段时间（或周期）的测试，并测量指定的关键特性，然后继续测试，并在一段时间（或测试周期）后再次测量相同的特性等等[3]。它允许查看关键特性随时间/周期而变化的趋势——也就是“退化”，如图7所示。

根据USCAR 21开展的压接加速环境暴露测试ENV（Accelerated Environmental Exposure Test），是一个比较典型的老化测试案例。短试样（图8）在经过热冲击循环和温湿度循环后，可以观察到压接电阻的变化趋势，如图9所示。

老化测试的控制指向为性能指标的变化趋势。老化测试的优点：此检测方法的排名比前两个更好，因为它可以检测到样品特性的变化趋势;老化测试的缺点：时间比较长。老化测试获得的数据类型为测试前中后的数值，数据量相对较多。

4    结语

FMEA作为提高质量、降低风险的工具，在工業企业中有着广泛应用。新版DFMEA已于2019年6月发布，它基于探测效果，对测试手段进行了区别于常规的分类。通过测试着力于产品性能指标的直接量测，得到布尔逻辑数值（0=不通过，1=通过）;失效测试的控制焦点放在调整载荷水平，以期快速出现失效，找到系统的弱点来加以改进;老化测试持续测量和记录系列实验中的关键特性，得到更加完备的数值，它的探测效果比前两个更好，因为它能检测到样品关键特性的变化趋势。明确FMEA三种测试方法的含义和典型案例，将有利于从业者更有效地选择测试手段，更加明确地对探测度进行评分，从而降低设计风险。

[参考文献]

[1] AIAG VDA.Failure Mode and Effects Analysis：1st Edition 2019[S]，2019.

[2] 浦维达.汽车可靠性工程[M].北京：机械工业出版社，1998.

[3] Elsmarquality Forum[EB/OL].[2020-04-06].https：//elsmar.

com/elsmarqualityforum.

收稿日期：2020-04-10

作者简介：陈水华（1971—），男，湖南邵阳人，工程师，研究方向：机电一体化。