在产品研发,尤其是航空航天、汽车、医疗器械等高可靠性要求的领域,安全性是设计的核心要素。传统的产品安全性分析往往依赖于孤立的工具和滞后的流程,导致分析结果与真实设计脱节,问题发现晚,修改成本高昂。达索系统3DEXPERIENCE平台以其统一的模型和数据管理为核心,为实现前端设计、仿真验证与安全性分析的无缝集成提供了革命性的解决方案。
本文将详细阐述如何在3DEXPERIENCE平台上,构建一个闭环、数据驱动的产品安全性验证与故障树分析集成流程。
一、 传统流程的挑战与集成化的必要性
-
数据孤岛:CAD模型、仿真结果、FTA分析文档分散在不同系统和人员手中,版本难以同步,易出现信息不一致。
-
分析滞后:FTA通常在详细设计完成后进行,此时发现底层设计缺陷,将导致巨大的返工成本和项目延期。
-
手动链接易出错:仿真结果(如某个部件的失效概率)需要手动输入到FTA工具中,过程繁琐且容易引入人为错误。
-
缺乏追溯性:当设计变更时,很难快速、全面地评估其对整个系统安全性的影响,追溯变更源头和影响范围费时费力。
3DEXPERIENCE平台的集成化流程,正是为了从根本上解决这些问题,实现 “安全性由设计赋能”。
二、 3DEXPERIENCE平台的核心支撑角色
3DEXPERIENCE平台并非单一软件,而是一个角色(Role)和应用程序(App)协同工作的生态系统。实现安全性验证与FTA集成的关键角色包括:
-
系统工程与需求管理:用于定义顶层的安全目标和需求,并将其逐层分解到系统和组件。
-
CATIA 3D建模:创建产品的精确三维数字模型,定义产品的物理结构和功能逻辑。
-
SIMULIA仿真分析:执行结构、流体、电磁等多物理场仿真,预测部件在特定工况下的失效模式与概率。
-
可靠性系统工程:这是实现FTA集成的核心角色,提供了专门的故障树分析(FTA)和失效模式与影响分析应用程序。
所有这些都是在一个统一的协同数据库(Collaborative Space) 上运行的,确保了数据的单一源、实时性和可追溯性。
三、 集成化流程的详细步骤
以下是一个典型的、在3DEXPERIENCE平台上运行的集成化安全分析流程:
步骤1:基于模型的系统定义与需求分解
-
定义安全目标:在系统工程应用中,明确产品的顶层安全目标(例如,“整车在行驶中意外刹车的概率必须低于1E-9/小时”)。
-
功能架构分解:使用系统建模工具,将产品分解为若干功能和子系统,并建立它们之间的逻辑关系。安全需求被逐级分配到相应的功能上。
步骤2:协同三维设计与功能逻辑关联
-
详细三维设计:使用CATIA进行详细的机械、电气和软件设计。每个组件(如传感器、执行器、控制单元)都在平台中被创建和管理。
-
链接功能与物理组件:在平台中建立功能架构中的“功能”与物理三维模型中的“组件”之间的明确关联。这是后续进行影响分析的基础。
步骤3:基于仿真的失效数据获取
-
定义仿真场景:针对关键部件,在SIMULIA应用中设置仿真任务,模拟其在极端或故障条件下的行为。
-
执行仿真并提取数据:运行仿真,获取部件的失效模式、应力分布、疲劳寿命等数据。通过概率设计分析,可以计算出特定失效模式的发生概率。
-
数据自动同步:仿真结果(如失效概率)会自动存储在平台的统一数据库中,并被标记上版本、工况等元数据。
步骤4:在统一平台中构建故障树分析
-
创建故障树:切换到“可靠性系统工程”角色,使用其中的FTA应用程序。
-
拖拽式构建:从平台的组件库中,直接将步骤2中设计的物理组件拖拽到故障树中,作为底事件。系统会自动建立组件与故障树事件的关联。
-
自动导入失效数据:在定义底事件的基本失效概率时,可以直接链接到步骤3中SIMULIA计算并存储的仿真结果数据。平台会自动调用该最新值,无需手动输入。
-
定性定量分析:平台自动执行故障树分析,计算顶事件(系统级故障)的发生概率,并识别出所有最小割集,找出系统的薄弱环节。
步骤5:闭环验证与影响分析
这是集成流程最具价值的环节:
-
设计变更触发:假设仿真或FTA结果显示某个最小割集的风险过高,设计师决定更改某个部件的材料或设计。
-
自动通知与影响分析:由于FTA、CAD模型和仿真任务都在同一个平台上关联,当部件设计变更时,相关的仿真任务和FTA分析会自动标记为“待更新”或“已过期”。项目经理和安全工程师会立即收到通知。
-
迭代优化:设计师更新模型后,相关的仿真任务可以自动或半自动地重新运行,更新失效概率。新的概率数据会自动传递到FTA中,FTA结果也随之更新。这使得工程师可以快速验证设计变更是否有效降低了系统风险,形成一个“设计-仿真-安全分析-再设计”的快速迭代闭环。
四、 集成流程的核心优势
-
数据一致性:所有数据(设计、仿真、FTA)同源,杜绝了因版本不一致导致的错误。
-
效率大幅提升:消除了手动数据搬运和格式转换,自动化了分析更新流程,将分析时间从数周缩短到数天甚至数小时。
-
早期验证:在设计初期即可进行初步的安全分析,引导设计走向更安全的方向,实现“左移”的质量控制。
-
强大的可追溯性:能够轻松追溯从安全目标到具体组件设计、仿真和FTA结果的完整链条,完美符合功能安全标准(如ISO 26262, DO-178C, IEC 61508)的认证要求。
-
基于知识的决策:为项目管理者和系统工程师提供了基于实时数据的决策支持,能够准确评估设计决策对安全性的影响。
五、 应用实例:汽车制动系统
以汽车电子稳定程序(ESP)的制动功能为例:
-
安全目标:“防止车辆非预期减速”。
-
FTA顶事件:“车辆发生非预期减速”。
-
中间事件:“液压控制单元错误建压”、“轮速传感器信号错误”等。
-
底事件:链接到具体的“压力传感器”、“控制芯片”、“液压阀”等三维模型。
-
仿真数据:SIMULIA对“液压阀”进行耐久性仿真,预测其因材料疲劳而卡滞的概率。
-
集成分析:该概率值被自动填入FTA中“液压阀卡滞”底事件。平台计算后发现,单一路径的失效概率仍不满足要求。
-
设计优化:设计师在CATIA中为系统增加一个冗余的监控传感器,并在FTA中更新模型。重新分析后,系统安全性达标。
结论
采用3DEXPERIENCE平台实现产品安全性验证与故障树分析的集成,不仅仅是工具的升级,更是研发理念和流程的革新。它将原本割裂的 disciplines 融合为一个连贯、高效、透明的数字化线程,使得安全性不再是设计完成后的“检查项”,而是贯穿于产品诞生全过程的“基因”。在面对日益复杂的产品系统和严苛的市场法规时,这一集成流程已成为企业构筑核心竞争力的关键。





