材料の破損解析におけるFMEA（故障モード影響解析）

材料の破損解析におけるFMEA（故障モード影響解析）
（FMEA (Failure Mode and Effects Analysis) in Material Damage Analysis）

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Contents

1. 故障モード影響解析（FMEA）の概要
2. FMEAの目的と進展
3. FMEAのプロセスと構成要素
3. 詳細故障分析 (Detailed Fault Analysis):
4. 故障の影響と是正措置
- 4.1 故障影響の分類
- 4.2 是正措置：
5. 設計プロセスにおけるFMEAの役割と協力体制
- 5.1 設計プロセスにおけるFMEAの貢献
- 5.2 FMEAに関与する主な関係者と彼らの役割
6. その他のFMEA関連概念
7. RCMの概念とFMEAとの関係
- 7.1 RCAの概念
- 7.2 FMEAとRCMとの関係

1. 故障モード影響解析（FMEA）の概要

FMEAは、システム内の各項目を検討し、その項目がどのように故障するか、そしてその故障がシステム全体の動作にどのように影響するかを特定する体系的で論理的な分析手法です。これは、考えられるコンポーネントの故障モードを特定し、それらがシステム動作に与える影響を判断することで、アナリストがシステムコンポーネント間の関係についてより深く理解し、故障の望ましくない影響を排除または軽減するために必要な変更を加えるのに役立ちます。

2. FMEAの目的と進展

FMEAは、製品開発の全段階で設計エンジニアが使用し、アイテムの故障の潜在的な影響を排除または軽減することで、製品の安全性と信頼性を向上させるために進化してきました。FMEAは、1950年代にグラマン・エアクラフト・エンジニアリング社で航空機の飛行制御システムの安全分析に使用され、正式な方法論として発展しました。当初は設計がほぼ完了した後の安全分析に主に使用され、発見された問題の修正には高額な費用がかかる傾向がありましたが、その後の改良により、機能的故障、ソフトウェアコンポーネントの故障、製造プロセスや保守プロセスにおける故障の分析にも適用範囲が拡大されるようになりました。

3. FMEAのプロセスと構成要素

FMEAの方法論は、階層的で帰納的な分析アプローチに基づいています。

3.1 FMEAの主な手順

FMEAは以下の手順で行います。
1. すべてのアイテム故障モードを特定する。
2. 各故障モードについて、局所的および分析対象のシステム全体に対する故障の影響を判断する45。
3. システム運用およびミッションへの影響によって故障を分類する。
4. 故障発生の確率を決定する。
5. 故障モードを検出する方法を特定する (これは、故障に対する耐性があるシステム構成では特に重要です）
6. 故障の影響を軽減するための補償規定や設計変更を特定する。

3.2 FMEAワークシートで通常記録される情報

FMEA分析の詳細は、FMEAワークシートに記録されます。これらのワークシートには、故障モードとその影響について、図面やその他の設計文書へトレースが可能な形で記述されます。一般的には、以下の内容が含まれます。
　・分析対象の構成部品の識別
　・その目的または機能
　・構成部品の故障モード
　・故障の原因と、故障がどのように検出されるか
　・故障モードの局所レベル、サブシステムレベル、およびシステムレベルでの影響
　・故障モードの重大度分類と発生確率

3.3 FMEAの分析型式

FMEAは、設計の進展に従って、機能的観点から、より詳細な観点へと発展します。

1. 機能的故障分析 (Functional Fault Analysis):

　・帰納的故障分析は、概念設計段階で行われ、構成部品の故障に対する補償措置が必要かつ十分であることを確認します。
　・例として、給湯器の安全弁を取り上げます。この安全弁は、水が過熱した場合にタンクを破裂させる可能性のある過剰な圧力を開放する目的があり、補償措置の一例になります。
　・機能的FMEAは、弁の必要性を示すだけでなく、安全弁の定期検査や、弁の故障を検出するための監視装置の必要性を示唆する可能性もあります。
　・機能分析は、機能ブロック図または同等のシステム表現から始まります。
　　/ ブロック図は、入出力伝達関数、システム内の情報、エネルギー、力、流体などの流れ、そして分析対象となる項目間の主要な関係を示します。
　　/ 各ブロックには機能的故障モードモデルが割り当てられ、解析対象となる想定故障モードのリストが作成されます。
　・次に、各機能がそれぞれの故障モードで解析的に故障し、該当する各動作モードにおける故障モードの影響と特徴的な兆候を特定します。
　・典型的な機能的故障モードは、「機能が動作しない」、「機能が継続的に動作する」、「機能が不適切なタイミングで動作する」といった形式です。
　・機能的故障分析は、詳細設計が始まる前に、システムの機能設計を変更することで故障モードを排除または軽減できるという大きな利点があります。
　・機能的故障解析は、実装に使用される特定の構成部品の特性ではなく、アイテムまたはアイテムグループが実行する機能に焦点を当てます。実際には、機能に対して考慮される故障モードの種類は、その機能がどのように実装されるかによって異なります。
機能解析を製造プロセスに適用する場合、典型的な故障モードのカテゴリには、製造および組立作業、受入検査、および試験が含まれます。プロセス故障モードは、修正可能なプロセス特性によって記述されます。たとえば、部品の向きのずれ、部品の穴の中心ずれ、固着、ひび割れなどです。

2. インターフェース故障分析（Interface Fault Analysis）

　・インターフェース故障解析は、サブシステム要素間の相互接続における故障の特性を特定することに重点を置いています。
　・ケーブル、配管、光ファイバーリンク、機械的連結など、サブシステムモジュール間の相互接続が分析の基礎となります。
　・各タイプの相互接続には、それぞれ独自の潜在的な故障モードがあります。インターフェース故障解析は、サブシステム要素間のインターフェースにおける特定の故障モードを定義することから始まります。
　・インターフェース故障解析は、サブシステム要素間のインターフェースにおける特定の故障モードを定義することから始まります。
　　/ 典型的な電気的故障モードは、「開状態における信号故障」、「短絡状態における信号故障」、「入力または出力の接地短絡」です。
　　/ 典型的な機械的故障モードは、「閉位置における配管故障」、「油圧低下」です。
　　/ ソフトウェア・インターフェース故障モードは、異なるソフトウェア要素とハードウェア要素間のインターフェースに影響を与える故障に焦点を当てています。

3. 詳細故障分析 (Detailed Fault Analysis):

　・詳細故障解析は、設計が以下のシステム要件を満たしているかどうかを検証するために使用されます。
　　(a) システム機能の喪失を引き起こす可能性のある故障
　　(b) 単一点故障
　　(c) 故障検出機能
　　(d) 故障分離。
　・これは「ピースパーツ故障分析」とも呼ばれ、設計内の個々の物理デバイス、ソフトウェアモジュール、およびアイテムを生成するための処理ステップから仮定される構成部品故障モードを使用します。
　・詳細故障分析で。大きなエラーが見つかった場合、修正には非常に費用がかかる可能性があります。

4. 故障の影響と是正措置

FMEAで分析される故障モードの結果は、その影響、システムレベルの影響に基づく故障モードの重大度分類、および故障モードの発生確率です。

4.1 故障影響の分類

　・局所的な影響：分析対象のアイテムの局所的な動作または機能への影響の詳細な説明。
　・上位レベルの影響：故障が次の上位レベルの操作、機能、または状態に与える影響。
　・最終的な影響：故障がシステムの運用およびミッションを適切に完了する能力に与える影響。これは、システムのミッションを遂行する能力の「合格/不合格」評価も提供します。
故障モードは通常、システム運用およびミッションへの最終的な影響の重要性に基づいて分類されます。分類システムは、「壊滅的」から「軽微」まで様々なレベルがあります。

4.2 是正措置：

検出不可能な故障や、安全でない状態、ミッションや安全に重要な単一故障、運用能力への悪影響、高額なメンテナンス費用など、重大な結果を伴う故障には是正措置が必要です。是正措置は一般的に、設計上の欠陥を排除するための要件、設計、プロセス、手順、または材料の変更という形をとります。
適切な是正措置を行うためには、特定の故障モードの原因を理解し、排除することが必要です。

5. 設計プロセスにおけるFMEAの役割と協力体制

FMEAは、概念設計から現場での展開に至るまで、製品開発サイクルのあらゆる段階で活動を補完し、価値を付加します。

5.1 設計プロセスにおけるFMEAの貢献

　・概念設計および予備設計段階：主にシステム要件の適切性を検証する役割を果たします。
　・詳細設計段階：要件への準拠を検証するために使用されます。
　・検証および妥当性確認段階：設計変更の整合性を維持するのに役立ちます。
　・生産、使用、およびサポート段階：現場故障データの収集や、メンテナンスおよびトラブルシューティング手順の開発のガイドとして機能します。

5.2 FMEAに関与する主な関係者と彼らの役割

　・システム設計者：製品設計の改善がFMEAの根本的な理由であるため、最も重要なFMEAユーザーです。以前の「教訓」の結果が対処されていることを確認し、許容できない故障モードを削除または補償するように製品を設計します。
　・信頼性エンジニア：製品が意図された機能とミッションを正常に実行する確率を評価するための分析を提供します。通常、FMEAの開発とFMEAデータベースの維持を担当します。
　・システム安全エンジニア：製品が意図された運用環境で安全に操作および保守できる方法を分析します。FMEAは、これらの危険を引き起こす可能性のある故障モードと原因を特定するための情報源となります。
　・保守性エンジニア：顧客が効率的かつ費用効果の高い方法で製品を保守できるように設計と協力します。FMEAを使用して、詳細なタスク分析が開発される潜在的な保守タスクを特定します。
　・ロジスティクスサポート: 製品がエンドユーザーによって効率的にサポートされることを保証する責任があります。
　・製造エンジニア：製品が製造される操作の順序を設計します。FMEAは、製造上の欠陥を防ぐために製造プロセスを改良するための故障モードと影響を提供します。
　・システムエンジニア：: 製品開発に貢献する様々な分野が関わるトレードオフ研究を促進するためにFMEAを使用します。
　・テスト容易性および品質保証：故障の検出および分離能力を照合するための、予期される故障モードと原因に関する情報を提供します。
　・プロジェクト管理者：プロジェクトマネージャーに、潜在的な製品の信頼性問題と安全上のリスクが製品設計で特定され、対処されたことを保証する重要なコンポーネントリストを提供します.。

6. その他のFMEA関連概念

FMEAに関連する概念について、概要を示します。

（１）故障等価性（Fault Equivalence）：

伝統的に、FMEAはコンポーネントごとに実施され、分析には多くの労力がかかり、記述の一貫性が失われる傾向があります。故障等価性の概念は、同一の結果を示すすべての故障モードをグループ化することで、重複作業を排除し、分析労力を削減し、結果の一貫性を向上させます。

（２）故障原因モデル（Failure Cause Model）：

故障原因モデルは、故障モードの原因を評価し、故障モードの発生確率を評価するために使用されます。これはしばしば、関心のある故障モードをトップイベントとするフォールトツリー（故障の木）の形をとります。フォールトツリーは、設計上の問題、人間のパフォーマンス、不適切な製造など、さまざまな原因を統一的に扱うことができます。

（３）FMEAの自動化（Automation）：

手動で行われるFMEAは、退屈で時間のかかる作業であり、エラーが発生しやすいため、コンピュータベースのツールやカスタマイズされたデータベースが開発されてきました。これらのツールは、故障モードや故障の影響のリストを提供して用語の一貫性を保ち、完全性チェックを行い、ユーザーの特定のニーズに合わせてレポートを調整するなどの機能を持っています。

7. RCMの概念とFMEAとの関係

設備やシステムの昨日を維持するための保全手法として、RCM（信頼性中心保全：Reliability-Centered Maintenance）の概念があります。以下は、どちらかというと、製品、設備やシステムの初期の段階で適用されるFMEAとRCMとの関係について示します。

7.1 RCAの概念

RCM（信頼性中心保全：Reliability-Centered Maintenance）とは、設備やシステムの機能を維持し、望ましい性能基準を満たし続けることを目的とした戦略的な保全手法です。特に航空業界に端を発し、現在では電力、製造、軍事など様々な産業で活用されています。
RCMは単なるメンテナンス計画作成の枠を超え、「どの設備にどのような保全活動が本当に必要なのか」を科学的に見極め、安全性、環境性、経済性をバランスよく最適化することを目指します。

RCMの最大の目的は、資産の機能喪失を防止し、その機能維持にとって最も費用対効果の高い保全策を導出することです。そのために以下の7つの基本質問に基づいて分析が進みます。
　1. 資産の機能と性能基準は何か？
　2. その機能を果たせなくなるのはどういう場合か？
　3. それぞれの機能喪失の原因は何か？
　4. 故障が発生するとどうなるか？
　5. それぞれの故障はなぜ問題となるのか？
　6. 故障を予測または防止するには何をすべきか？
　7. 適切な予防策が見つからない場合、何をすべきか？

このプロセスの中で、特に最初の4つはFMEA（故障モード影響解析）と密接に関係しています。

7.2 FMEAとRCMとの関係

RCMはFMEAの一形態といえますが、目的や適用段階が異なります。
・ FMEA：主に設計初期段階で用いられ、想定される故障モードを洗い出し、それが機能に与える影響を評価し、設計改善に役立てる手法。
・ RCMのFMEA：運用中の設備を対象とし、実際の運用条件下での故障の可能性・影響・保全戦略を導出するための分析。

RCMにおける「機能喪失（Functional Failure）」は、従来のFMEAにおける「故障モード（Failure Mode）」に該当し、「RCMの故障モード（Failure Mode）」はFMEAの「故障原因（Failure Cause）」に近い意味で使われます。
RCMのFMEAは、保全戦略の立案がゴールであり、設計変更よりも予防保全や点検周期の最適化に焦点を当てているのが特徴です。

RCMは、運用中設備において最も合理的かつ持続可能な保全策を導くための「戦略的FMEA」とも言えます。設計段階でのFMEAが「故障を設計で防ぐ」ためのものであるのに対し、RCMのFMEAは「運用中に故障リスクを管理する」ためのものです。
FMEAとの補完関係を活用しつつ、RCMを導入することで、組織は設備の信頼性向上、安全性確保、運用効率の最大化を実現できます。

参考文献
ASM　HANDBOOK　Vol.11　Failure Analysis and Prevention　ASM International　2002年

ORG:2025/06/16