基于3DEXPERIENCE平台的产品安全性验证与故障树分析（FTA）集成流程

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

1. 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。

2. 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。

3. 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。

4. 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

1. 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”）。

2. 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

1. 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。

2. 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

1. 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。

2. 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。

3. 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

1. 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。

2. 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。

3. 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。

4. 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：

1. 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。

2. 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。

3. 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：

1. 安全目标：“防止车辆非预期减速”。

2. FTA顶事件：“车辆发生非预期减速”。

3. 中间事件：“液压控制单元错误建压”、“轮速传感器信号错误”等。

4. 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。

5. 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。

6. 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。

7. 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。