特許 6040325 モデル作成方法及び装置、それを用いた検査装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6040325

(24)【登録日】2016年11月11日

(45)【発行日】2016年12月7日

(54)【発明の名称】モデル作成方法及び装置、それを用いた検査装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 29/06 20060101AFI20161128BHJP

【ＦＩ】

   G01N29/06

【請求項の数】10

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2015-553242(P2015-553242)

(86)(22)【出願日】2013年12月16日

(86)【国際出願番号】JP2013083545

(87)【国際公開番号】WO2015092841

(87)【国際公開日】20150625

【審査請求日】2016年4月8日

(73)【特許権者】

【識別番号】000005108

【氏名又は名称】株式会社日立製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100100310

【弁理士】

【氏名又は名称】井上 学

(74)【代理人】

【識別番号】100098660

【弁理士】

【氏名又は名称】戸田 裕二

(74)【代理人】

【識別番号】100091720

【弁理士】

【氏名又は名称】岩崎 重美

(72)【発明者】

【氏名】溝田 裕久

(72)【発明者】

【氏名】永島 良昭

(72)【発明者】

【氏名】中畑 和之

【審査官】 横井 亜矢子

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−１１２６５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０２１９２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０５２９９３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２９／００−２９／５２

Ｇ０１Ｎ ２３／００−２３／２２７

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

数値解析に用いる解析領域のモデル作成方法であって、
解析領域のうち、音響異方性を有する結晶性を有する領域であれば結晶成長方向を指定するステップと、
前記領域の結晶性を反映した部分的なイメージデータを選択するステップと、
前記結晶成長方向に合わせて前記部分的なイメージデータを回転操作するステップと、
前記回転した部分的なイメージデータを用いて指定した領域中に敷き詰めてイメージデータを作成するステップを有することを特徴とするモデル作成方法。

【請求項2】

請求項１に記載のモデル作成方法において、
前記イメージデータとして、電子線後方散乱回折装置により取得した金属表面のイメージデータであることを特徴とするモデル作成方法。

【請求項3】

請求項１に記載のモデル作成方法において、
前記イメージデータとして、金属表面をエッチング後、光学的撮像手段により取得した金属表面のイメージデータであることを特徴とするモデル作成方法。

【請求項4】

請求項１に記載のモデル作成方法において、
前記イメージデータとして、フェーズフィールド法によるシミュレーションより生成したイメージデータであることを特徴とするモデル作成方法。

【請求項5】

請求項１乃至４のいずれか一項におけるモデル作成方法において、
前記作成したイメージデータを構成する画素のカラー及び濃淡を解析してオイラー角を算出するステップと、
算出されたオイラー角を用いて予め記憶させておいたスティフスネス定数に回転行列を演算するステップと、
イメージデータ利用領域に相当する解析モデルの各メッシュに対して前記画素のカラーや濃淡と対応するスティフネス定数を付与するステップを有することを特徴とするモデル作成方法。

【請求項6】

請求項１に記載のモデル作成方法において、
前記部分的なイメージデータを用いて指定した領域中に敷き詰めるステップにおいて、粒径分布データにもとづき拡大又は縮小を実施したイメージデータを用いることを特徴とするモデル作成方法。

【請求項7】

請求項１に記載のモデル作成方法において、
前記解析領域は、複数の領域から構成されていることを特徴とするモデル作成方法。

【請求項8】

数値解析に用いる解析領域のモデル作成装置であって、
モデル形状、モデルを構成する材料データ、各結晶の結晶方位を表したイメージデータ、作成したデータを保存する記憶装置と、
取り込んだイメージデータを利用して指定した領域内を埋め尽くすイメージデータ編集機能と、取り込んだイメージデータのカラーや濃淡を解析してオイラー角を算出するイメージデータ解析及び処理機能と、イメージデータから算出されたオイラー角を用いて算出されるスティフスネス定数をイメージデータ利用領域に相当する各メッシュに対して付与する材料定数付与機能を有する処理装置を有することを特徴とするモデル作成装置。

【請求項9】

請求項８におけるモデル作成装置で作成したモデルから有限要素法を実施する有限要素法処理機能を有することを特徴とする検査装置。

【請求項10】

請求項８におけるモデル作成装置で作成したモデルからレイトレース解析を実施するレイトレース解析機能を有することを特徴とする検査装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、弾性波の伝搬解析技術に関わり、モデル作成方法及び装置、それを用いた検査装置に関する。

【背景技術】

【0002】

超音波を用いた構造物の検査又は計測において、溶融した金属が結晶化し結晶粒径が粗いものを多く含む材料や、金属の結晶粒が特定の方向に揃って成長することで音響異方性を有する材料を対象とする場合には、材料物性が検査又は計測結果に大きく影響することが知られている。結晶粒が粗い材料では、超音波の波長によっては散乱の影響を強く受け、超音波の透過性が悪くなる。このため、平均粒径よりも十分長く結晶粒で散乱されにくい波長の超音波を用いる必要がある。音響異方性を有する材料では、例えば等方性近似して超音波検査画像を出力した場合、伝搬方向に依存する音速を正しく検査画像に反映できないため、位置精度などが低下する恐れがある。このため、超音波の伝わる方向に依存する音速を求めて超音波検査画像を出力する必要がある。

【0003】

このような結晶性を有することで材料物性の影響が大きい部材として、一方向凝固材や金属溶接部などが挙げられる。一方向凝固材は、細長い結晶粒（柱状晶）で組織されており、各柱状晶の結晶構造は同一である。しかし、凝固する際の各柱状晶は概ね一方向を向いて揃うが、その一方向内での各柱状晶の結晶方位はランダムである。ただし、柱状晶全体の結晶方位を平均化すれば、概ね結晶粒の長手方向の結晶軸のみ揃っている材料である。金属溶接部は、金属を溶融して固化する過程で金属が結晶化し、比較的大きな結晶粒径を持つとともに、溶接部中央に近づくほど垂直方向に結晶成長する傾向がある。したがって、局所的には一方向凝固材とみなすことができるが、全体的には結晶成長方向が異なる凝固組織となっている。さらに溶接部を有する構造物は、音速が伝搬方向に依存しない音響的に等方な一般の金属を接合することを考えれば、音響異方性を有する領域と音響等方性の領域に分かれている構造物である。従って、音響異方性領域や音響等方性領域および異方性領域の結晶状態を考慮して検査又は計測をすることにより、出力結果の信頼性を向上させることは重要である。

【0004】

これらは、超音波を用いた検査や計測が比較的困難な材料や部材として知られており、数値解析による超音波伝搬現象の解明が盛んに成されている。信頼性の高いシミュレーション結果を出力するためには、構造物の結晶状態（結晶粒の分布や各結晶粒の結晶方位）を考慮した精確なモデルを生成することが重要となる。

【0005】

特許文献１では、溶接部を複数の大きな領域に分割し、該領域毎に結晶構造および結晶成長方向の情報を有するモデルを作成することが記載されている。この作成したモデルを用い、シミュレーションにより算出された超音波探傷信号である演算探傷信号と、実測した超音波探傷信号の差が小さくなるように、溶接部モデルを修正することにより、精度の高いモデルを生成する方法が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１２−１１２６５８号公報

【非特許文献】

【0007】

【非特許文献1】Ｊ．Ａ．Ｏｇｉｌｖｙ、Ｃｏｍｐｕｔｅｒｉｚｅｄ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｒａｙ ｔｒａｃｉｎｇ ｉｎ ａｕｓｔｅｎｉｔｉｃ ｓｔｅｅｌ、ＮＤＴ ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ．ＶｏＬ １８．Ｎｏ ２．ＡＰＲＩＬ １９８５

【非特許文献2】小山敏幸、フェーズフィールド法に基づく組織形成シミュレーションとその材料開発への応用、日本金属学会誌第７３巻第１２号（２００９）８９１―９０５

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

特許文献１では、溶接部の領域を大きく分割し、分割された領域毎に存在する柱状晶の平均的な結晶成長方向を用いてモデルを作成している。一般に、このような平均的な結晶成長方向に着目してモデルを作成する場合、ミクロな各柱状晶は立方晶系に属していても、柱状晶の集合体としてのマクロな組織では、結晶成長方向を軸とし最も回転対称性の高い六方晶の単結晶で近似している。六方晶近似の場合、被検体中を伝わる超音波の音速を精確に再現できないケースが多く、例えば検査であれば欠陥位置を精確に画像化できないということがある。このため、溶接部における超音波の伝搬現象や散乱現象を高精度で予測する、あるいは予測したデータに基づき同じく高精度で検査結果を出力するには、従来の六方晶近似モデルよりも、結晶状態を緻密にモデル化する必要があった。

【0009】

また、単に緻密にモデル化するだけなら、ＥＢＳＤ測定（Electron Backscattering Diffraction）によって得ることも可能だが、広範囲のＥＢＳＤ測定を実施して精確な解析モデルを作成するには、試験片を準備し、超音波を伝搬させる面、あるいは、超音波伝搬シミュレーションを実施する面で切断し、切断面に対して時間及び費用をかけてＥＢＳＤ測定等を実施する必要がある。このため、短時間で費用をかけずに精確な解析モデルを作成することが困難であった。

【0010】

そこで本発明は、結晶性材料を有する構造物に対し、精確な解析モデルを簡便かつ迅速に作成できる解析モデル作成方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記の課題を解決するために、本発明は、数値解析に用いる解析領域のモデル作成方法であって、解析領域のうち、音響異方性を有する結晶性を有する領域であれば結晶成長方向を指定するステップと、前記領域の結晶性を反映した部分的なイメージデータを選択するステップと、前記結晶成長方向に合わせて前記部分的なイメージデータを回転操作するステップと、前記回転した部分的なイメージデータを用いて指定した領域中に敷き詰めてイメージデータを作成するステップを有することを特徴とする。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、結晶性材料を有する構造物に対し、精確な解析モデルを簡便かつ迅速に作成することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】モデル作成方法を示すフロー図

【図2】モデル作成フローにおける結晶性付与の部分を示すフロー図

【図3】装置の全体構成を表した機能ブロック図

【図4】一方向凝固材の検査体系を示す補助図

【図5】一方向凝固材の近似モデルを示す補助図

【図6】一方向凝固材の超音波検査断面を示す補助図

【図7】ＥＢＳＤ測定による一方向凝固材の測定結果例を示す補助図

【図8】ＥＢＳＤ測定結果から作成したサンプル空間を示す補助図

【図9】結晶成長方向がＺ軸方向と一致する場合のモデル作成例を示す補助図

【図10】一方向凝固材のモデル作成方法を示す補助図

【図11】溶接部モデルの領域を示す補助図

【図12】ＥＢＳＤ測定結果から作成したサンプル空間を示す補助図

【図13】溶接部のモデル作成例を示す補助図

【図14】イメージデータの座標変換を示す説明図

【図15】粒径分布データに基づくＥＢＳＰデータ生成方法を示す説明図

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明の各実施例について図面を用いて説明する。

【実施例1】

【0015】

超音波伝搬現象を解明するためのシミュレーション技術、超音波計測波形を用いた逆解析による検査画像再構成技術、超音波検査条件策定支援などで利用する、精確な解析モデルを提供するためには、モデル形状の作成と、作成したモデルへの特性付与が必須となる。モデル形状の作成と、作成したモデルへの特性付与を実施するフローを図１に示す。Ｓ０００〜Ｓ００５は、モデル形状を作成するときに必須となるフローである。Ｓ００６〜Ｓ０１３は、局所的なイメージデータを用いてモデル全体に特性を付与するためのフローである。Ｓ０１４は、本発明で作成したモデルを用いた超音波伝搬シミュレーション、検査画像再構成、超音波計測支援を想定したステップである。以下、詳細を記述する。

【0016】

Ｓ０００で、モデル作成を開始する。Ｓ００１で、オブジェクト（形状）作成領域の初期化を実施し、Ｓ００２で、コマンド選択をする。コマンド選択では、形状ＤＢ３１から既存の形状データとして例えばＣＡＤデータを読み込むファイル入力コマンド１、形状を生成するための基本オブジェクト生成する基本オブジェクト作成コマンド２、生成したオブジェクトの部分を変形又は移動操作する部分変形・移動操作コマンド３、生成したオブジェクトの全体を変形又は移動操作する全体変形・移動操作コマンド４、あるいは作成したオブジェクトをリセットするリセットコマンド５、保存又は終了を実施する保存・終了コマンド６があると良い。各コマンドの選択及び実施後には、Ｓ００３で、表示を更新し、Ｓ００４で更新されたオブジェクトが所望のものかを判断する。正しければ、Ｓ００５で結果を出力及び保存をする。未完成の場合又は正しくない場合は、Ｓ００２のコマンド選択に戻る。

【0017】

Ｓ００６で作成したオブジェクトへの特性の付与を開始する。Ｓ００７でオブジェクト領域の情報を初期化する。Ｓ００８で、作成したオブジェクトの特性チェックとして、音響異方性を有する部材（結晶性材料の部材）や高減衰材料などが含まれるかなどをチェックする。Ｓ００８はＳ００９のコマンド選択において、コマンドのアクティブ化・非アクティブ化に利用すると良い。コマンドには、一般に特性を付与する場合に必要とされる、材料や性質の異なる境界を作成し、境界の特性（吸収境界・反射境界など）を指定する境界条件設定コマンド７、境界で囲まれた領域に基本材料データを指定及び入力する領域設定コマンド８、情報をリセットするリセットコマンド９、終了及び保存を実施する終了／保存コマンド１０、Ｓ００２へ戻りオブジェクトを編集できるオブジェクトの編集へ戻るコマンド１１などがあると良い。

【0018】

境界で囲まれた領域への基本材料データの設定には、記憶領域から基本材料データを読み込む、あるいはキーボード等を用いて手入力可能にしておくと良い。基本材料データとしては、等方性材料の場合においては、例えば材料名・密度・縦波音速と横波音速、異方性を有する領域の場合においては、例えば材料名・密度・スティフネス定数があればよい。材料のスティフネス定数は、既知の材料の場合には既存のデータベースを参照すると良い。一方向凝固材のような多結晶体の場合は、既存のデータベースに無い材料である場合が多く、この時は、予め同一の材料の試験片を用いて電磁超音波共鳴法により共鳴スペクトルを求め、共鳴スペクトルを逆解析してスティフネス定数を求めておくと良い。あるいは、第一原理計算により理論的にスティフネス定数を求めておくと良い。加えて、領域のうち結晶性を有する場所に大域的な結晶成長方向を入力できる大域的結晶成長方向指定コマンド１２がある。大域的な結晶成長方向を求めるには、予め試験片を準備して破壊的手段で求めるか、非破壊的手段で求めると良い。破壊的手段としては、構造物を切断して断面を観察する断面観察が主として実施される。断面を研磨及びエッチング後、光学的撮像手段で写真撮影することにより、粒径分布などが分かる。Ｘ線回折パターンからはマクロな結晶成長方向が分かる。非破壊的手段としては、Ｏｇｉｌｖｙの式に基づき結晶成長方向を理論的に求める手法（非特許文献１）や、集束超音波計測によるマクロな結晶成長方向を算出する手法（ＰＣＴ／ＪＰ２０１３／０７６１８０）や、フェーズフィールド法によるシミュレーションで凝固現象を求める手法（非特許文献２）が知られておりこれらをイメージデータに用いてもよい。

【0019】

そして、本発明では新たに記憶領域のイメージＤＢ３８からＥＢＳＰデータ（Electron Backscatter Diffraction Pattern）やエッチングデータ（写真）などの画像データを利用する領域を指定するイメージデータ利用領域設定コマンド１３、イメージＤＢ３８に保存されている各種イメージから、領域に適したイメージを選択するイメージ選択コマンド１４、選択したイメージを大域的な結晶成長方向のデータに基づき操作することを可能とするイメージ操作コマンド１５などがある。各コマンドの選択及び実施後には、Ｓ０１０で、イメージデータを利用した視覚情報や各領域の特性情報を更新し、Ｓ０１１で更新されたオブジェクトおよびその特性が所望のものかを判断する。正しければ、Ｓ０１２で結果を出力及び保存し、Ｓ０１３で、数値解析に必要な格子の生成を実施する。格子生成には、計算領域を設定し、メッシュを生成し、格子点や面を定義し特性を付与すると良い。

【0020】

スティフネス定数を付与する際に利用するイメージデータとしては、ＥＢＳＤ測定により生成されたイメージデータを用いるのが好適である。ＥＢＳＤ測定結果で示されるイメージデータのカラーは結晶面指数と関係づけられているので、各メッシュにおけるスティフネス定数は、該当するイメージデータのカラーが示す結晶面指数に基づいてオイラー角を求め、求めたオイラー角に相当する回転行列を先述の基本材料データのスティフネス定数にかけることにより算出すると良い。なお、一方向凝固材の場合、結晶粒分布を示す写真画像の濃淡に適当に結晶面情報を付与させることにより、ＥＢＳＤ測定結果を擬似的に作成することが可能である。Ｓ０１１で更新されたオブジェクトおよびその特性が未完成の場合又は正しくない場合、Ｓ００９のコマンド選択に戻る。当然、Ｓ００８で音響異方性を有する部材が無い場合は、Ｓ０１３の格子生成、Ｓ０１４の解析条件の設定へと進むと良い。

【0021】

具体的には、試験片１０×１０×１０ｍｍを採取し、超音波を伝搬させる面について超音波の波長と結晶粒の大きさよりも十分小さなピッチ（例えば０．０１ｍｍ）でＥＢＳＤ測定を実施する。イメージデータを図９のように並べて検査領域に相当するイメージデータを作成する。そして、前述のピッチを１画素あるいは１メッシュ（０．０１×０．０１ｍｍ）としてイメージの処理を実施して画素のカラー情報を読み取り、この画素のカラーや濃淡から結晶面指数とオイラー角を求めて、このオイラー角をスティフネス定数に反映させる。なお、イメージデータ上のカラー情報は結晶面指数と対応しているため、カラー情報を基に対応するオイラー角が分かるという仕組みである。当然、イメージデータの生成と画素の処理の順番を逆にして画素のカラー情報を読み取り、各画素に相当するスティフネス定数も算出した上で、図９におけるモデルを作成しても良い。作成したモデル上でＦＥＭやレイトレース等を実行するということになる。例えば、超音波を利用した検査装置（ＰＣＴ／ＪＰ２０１３／０７６１８０）におけるモデル作成部分において、本発明のモデル作成方法を適用することにより、超音波の検査画像再構成が精度良く実施できる。

【0022】

図１の全体モデル化フローのうち結晶性の付与部分Ｓ００６〜Ｓ０１４で、特にイメージデータを利用するフローについて、図２を用いて説明する。Ｓ１００で、イメージデータの利用を開始する。Ｓ１０１で、分割されたある領域を選択し、Ｓ１０２で、選択した領域にイメージデータを用いるかを判断する。イメージデータを用いる場合は、Ｓ１０３で、図１の記憶領域にある領域とよく一致するイメージデータを選択する。最適なイメージとしては、ＥＢＳＤ測定結果により結晶粒径および各結晶粒の結晶面指数が判明しているイメージである。Ｓ１０４で、選択した領域の大域的な（平均的な）結晶成長方向を設定し、Ｓ１０５で、選択したイメージに対し、イメージを拡大・縮小、並進、回転、変形、コピー、敷き詰めなどの操作を実施し、選択した領域のイメージデータを生成する。これら操作は、拡大・縮小コマンド２１、並進コマンド２２、回転コマンド２３、変形コマンド２４、コピーコマンド２５、敷き詰めコマンド２６を用いて行なう。Ｓ１０６で、イメージデータを利用する領域全てで完了したかどうかを判断し、Ｓ１０７で、完了した場合は、イメージデータ利用を終了する。Ｓ１０２で、イメージデータを利用しない場合も、Ｓ１０７でイメージデータ利用を終了する。

【0023】

上述のモデル生成方法が実施可能なモデル作成装置を備えた検査装置について、図３に示す。基本の装置構成要素は、結晶状態のイメージデータを取り込むイメージデータ取り込み装置３２、各種解析に用いる詳細なモデルを作成する処理装置３３、作成したモデルを利用する各種解析装置３４、各種情報を記憶する記憶装置３５、作成したデータを表示する表示器３６（ディスプレイ）、各種情報を入力する入力装置３７の６つの装置で構成されている。イメージデータ取り込み装置３２では、例えば金属表面をＥＢＳＤ測定して取得した画像ファイルを読み込み、記憶装置のイメージＤＢ３８に保存する機能を有する。処理装置３３では数値解析する際に必要な解析領域を定義する機能を有する。すなわち、解析領域を定義するため、センサ構造、ウェッジなどの接触媒体、被検体などの形状及び性状を入力情報として境界条件を作成し、解析領域をメッシュに分割するような機能を有し、上述したステップを実施できるように、主に、形状編集機能３９、領域への材料定数付与機能４０、イメージデータ編集機能４１、イメージデータの解析・処理機能４２、メッシュ生成機能４３を有する。

【0024】

形状編集機能３９は本実施例でのＳ０００〜Ｓ００５の処理を行う処理部である。イメージデータ編集機能４１は本実施例でのＳ００６〜Ｓ０１４の処理を行う処理部である。メッシュ生成機能４３は、上記で作成したイメージデータで敷き詰められた画像データに対して、複数の小片であるメッシュへと分割して、各小片単位で画像データが扱えるようにメッシュを生成する処理部である。イメージデータの解析・処理機能４２では、各メッシュの該当する画素のカラー情報を読み取り、この画素のカラーや濃淡から結晶面指数とオイラー角を求める処理部である。領域への材料定数付与機能４０は、求めたオイラー角に相当する回転行列を基本材料データのスティフネス定数にかけて材料定数を算出して、イメージデータ利用領域に相当する各メッシュに対して、材料特性を付与し、各種解析に用いられる被検体モデルを作成する処理部である。なお、イメージデータの解析・処理機能４２で画素のカラー情報を読み取る際に、生成するメッシュの大きさによっては複数のカラー情報が含まれる可能性がある。この場合は、メッシュに含まれるカラー情報の中で、最も占める率の高いカラー情報を採用する、又は、該メッシュの周囲にあるメッシュのカラー情報で置き換えるようにする等の処理方法が考えられる。

【0025】

各種解析装置３４では、イメージデータを活用して生成したモデルを用いて、例えば、有限要素法やレイトレース解析法を用いて超音波の伝搬シミュレーションを実施する機能を有する。各種解析装置３４は有限要素法処理機能４４、レイトレース解析機能４５を有する。記憶装置３５は、解析領域を作成するため、被検体の基本形状を記憶した形状ＤＢ３１や、被検体を構成する材料データ（密度、スティフネス係数、粒径分布、金属結晶種）を記憶した材料ＤＢ４６、ＥＢＳＤ測定や光学撮影などのイメージデータを記憶するイメージＤＢ３８を保有する。また、作成したデータを保存する作成データ保存ＤＢ４７も有する。表示器３６は、編集及び作成したモデルを可視化するため、作成したモデルを使用し、有限要素法やレイトレース法などで解析を実施した結果を表示するために用いる。

【0026】

上述のモデル生成方法および装置を利用するに好適な、超音波検査体系を図４に示す。ここでは、アレイセンサ５０を用いてニッケル基合金の一方向凝固材５１を検査することを想定した。点線で囲まれた面が超音波の伝搬面である。ニッケル基合金の一方向凝固材５１の従来のモデル化手法は図５に示すように、立方晶に属する各柱状晶の結晶軸がＺ軸方向以外ではランダムに分布しており、大域的にみてＸ―Ｙ平面における結晶性は無視することができるため、ＸＹ平面内は超音波の音速が伝搬方向に依存しないとする横等方性近似、あるいは結晶として最も回転対称性の高い六方晶近似して扱うことが多い。このような近似では、各柱状晶の結晶軸を反映したモデルが作成できない。そこで本実施例のように、イメージデータを用いてモデルを作成する。

【0027】

今、図４における被検体の大域的な結晶成長方向をＺ軸方向と仮定し、Ｙ−Ｚ平面においてアレイセンサ５０を用いて超音波検査することを想定すれば、図６に示すように、超音波を走査するＹ−Ｚ平面では柱状晶の長手方向が概ねＺ軸方向に揃って配列している。ＥＢＳＤ測定によるイメージデータを利用したモデル化を実施するには、Ｙ−Ｚ平面と平行な断面全域をＥＢＳＤ測定するのではなく、例えば結晶粒や結晶面方位分布のある程度含まれる範囲相当のニッケル基合金の一方向凝固材サンプルを予め準備しておき、伝搬面に相当する領域についてＥＢＳＤ測定する。ＥＢＳＤ測定した結果の模式図を図７に示す。ＥＢＳＤ測定結果のイメージカラーは、結晶面指数に対応している。このＥＢＳＤ測定領域５２中、一方向凝固材の特性を良く表した領域をサンプル空間Ａ５３としている。入力装置３７を用いてサンプル空間を指定して、指定された図８のようなイメージデータをイメージＤＢ３８に保存すると良い。本ケースのように一方向凝固材の結晶成長方向がＺ軸方向であると分かっていれば、図９のように大域的な結晶成長方向に合わせてサンプル空間Ａ５３を並行移動およびコピーを繰り返すことによってサンプル空間Ａ５３で敷き詰め、一方向凝固材の断面モデルを作成することができる。

【0028】

図４における一方向凝固材の結晶成長方向が、未知の場合におけるモデル作成方法について図１０を用いて説明する。先述したとおり、大域的な結晶成長方向を求めた後に、ＥＢＳＤ測定結果のイメージデータを大域的な結晶成長方向に合わせて回転させて敷き詰めることでモデルを作成すれば良い。この時、例えば（ＰＣＴ／ＪＰ２０１３／０７６１８０）に記載の超音波計測により一方向凝固材のマクロな結晶成長方向を非破壊で求め、本発明のモデル作成方法を適用することにより、一方向凝固材のモデル化を精度良く実施できる。

【0029】

このように作成したモデルに対して、計算領域を設定し、メッシュを生成し、格子点や面を定義し特性を付与する。具体的には、図９に示すＥＢＳＤ測定結果であるイメージデータを敷き詰めた画像に対して、計算領域を設定して、メッシュを生成する。各メッシュにおいて、イメージデータよりカラー情報を読み取り、該当するイメージデータのカラーが示す結晶面指数に基づいてオイラー角を求め、求めたオイラー角に相当する回転行列を先述の基本材料データのスティフネス定数にかけることにより算出する。これにより各種解析に用いられる溶接部の材料特性を付与した被検体モデルが作成できる。

【0030】

本実施例によれば、一般的な各柱状晶を平均的な結晶方位を用いて表したモデルと比較して、精度が高く、簡便かつ迅速に各柱状晶の一つ一つの結晶方位をそれぞれ反映したモデルが作成できる。

【実施例2】

【0031】

溶接部のモデル化を例に図１１〜図１４を用いて説明する。溶接部は図１１のように、領域Ａ、Ｂ、Ｃで構成されることを想定した。ここで、領域Ａは先述のニッケル基合金の溶接部、領域Ｂは大きな結晶性の不純物を含んだＳＵＳ、領域Ｃは材料定数が既知のＳＵＳ（等方性材料）であるとする。領域Ｂのサンプル空間Ｂは、図１２に示すようなものであるとし、サンプル空間中の密度・スティフネス定数は算出可能であるとする。溶接部における大域的な結晶成長方向の変化については、非特許文献１に記載されている方法を用いて求めることが出来る。Ａの領域における結晶成長方向の変化は、タンジェントの関数を用いた曲線で近似されるが、多数の領域に分割することにより、各領域における大域的な結晶成長方向は線形近似できる。

【0032】

従来は、図１１に示すように領域Ａ１，Ａ２，Ａ３に分割し、各領域の結晶成長方向１０１のみ考慮していたモデルが用いられてきた。本発明では、図１、図２に示したフローを用いることにより、図１３に示すモデルを作成することができる。領域Ａ１-Ａ３ではそれぞれの結晶成長方向に合わせてサンプル空間Ａが回転後、敷き詰められている。領域Ｂにおいては、大きな結晶性の不純物を含む材質を反映したサンプル空間Ｂが敷き詰められている。領域Ｃにおいては、等方性材であるため、同一の材料定数が付与されている。また、近年の画像処理技術によれば、パターン認識さえしておけば、図１４に示すように一般座標変換等によって歪んだ空間へ任意に画像を変換して敷き詰めることができるので、イメージベースだけでモデルを構築してしまってから、メッシュを作成する方法も考えられる。

【0033】

このように作成したモデルに対して、計算領域を設定し、メッシュを生成し、格子点や面を定義し特性を付与する。具体的には、図１３に示すＥＢＳＤ測定結果であるイメージデータを敷き詰めた画像に対して、計算領域を設定して、メッシュを生成する。各メッシュにおいて、イメージデータよりカラー情報を読み取り、該当するイメージデータのカラーが示す結晶面指数に基づいてオイラー角を求め、求めたオイラー角に相当する回転行列を先述の基本材料データのスティフネス定数にかけることにより算出する。これにより各種解析に用いられる溶接部の材料特性を付与した被検体モデルが作成できる。

【0034】

本実施例によれば、複数の部材で構成される構造物に対してより簡便な方法でモデルが作成可能となる。

【実施例3】

【0035】

一つのＥＢＳＰデータを用いて、他材料のＥＢＳＰデータを作成する手順について、図１５を用いて説明する。例えば一方向凝固材Ｘと一方向凝固材Ｙがあったとして、一方向凝固材Ｘと一方向凝固材Ｙの粒径分布が既知であるとする。結晶成長方向の粒子径分布のみＹは、Ｘに対してＹ１／Ｘ１倍長く、結晶成長方向と直交する方向の粒子径分布は同程度と分かっていれば、一方向凝固材Ｘに対するＥＢＳＤ測定結果のイメージデータを結晶成長方向にＹ１／Ｘ１倍拡大したイメージデータをＹのＥＢＳＤ測定結果として代用する。各メッシュにおけるスティフネス定数を算出する際には、オイラー角のデータはＸにおけるオイラー角を用いてＹのスティフネス定数に回転行列をかけると良い。

【0036】

本実施例によれば、材料が変わることにＥＢＳＰデータを取得する必要がなくなるのでより簡便な方法でモデルが作成可能となる。

【0037】

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

【符号の説明】

【0038】

３１：形状ＤＢ
３２：イメージデータ取り込み装置
３３：処理装置
３４：各種解析装置
３５：記憶装置
３６：表示器
３７：入力装置
３８：イメージＤＢ
３９：形状編集機能
４０：材料定数付与機能
４１：イメージデータ編集機能
４２：イメージデータの解析・処理機能
４３：メッシュ生成機能
４４：有限要素法処理機能
４５：レイトレース解析機能
４６：材料ＤＢ
４７：作成データ保存ＤＢ
５０：アレイセンサ
５１：ニッケル基合金の一方向凝固材
５２：ＥＢＳＤ測定領域
５３：サンプル空間Ａ
１０１：結晶成長方向

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】