JP2007058508A - 形状測定に基づく構造解析システム及び解析方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 大型構造物や複雑構造物を複数種の３次元測定器により精度良く測定し、３次元ＣＡＤデータを生成すると共にそのＣＡＤデータを用いて一連のシステム内で有限要素解析を実施することにより対象構造物や部品の強度や振動等の機械的特性を把握し、部品交換、修理等のリプレースに活用できるようにすること。
【解決手段】 構造物の３次元形状を計測する複数種の３次元形状計測装置１によって計測された点群データを点群データ入力・合成装置２で入力・合成し、合成処理した点群データを３次元ＣＡＤ変換処理装置３で３次元ＣＡＤモデルに変換し、３次元ＣＡＤモデルを用いて有限要素法解析モデル作成装置４において有限要素法解析モデルを作成し、その解析結果を解析結果評価装置５で評価し、解析結果評価装置から出力された処理データをデータベース７に格納するようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、構造物の３次元形状の測定に基づいて上記構造物の解析を行う構造解析システム及び解析方法に関する。

一般に、リバースエンジニアリングにおいては、図面から製品を製作するのではなく、製品から逆にＣＡＤデータを作成することにより、設計データや製造に必要な形状を作成する通常の設計・製造と逆のフローとなる。

このようなリバースエンジニアリングとしては、製品の立体モデルから３次元測定器で形状を測定し、設計より得られたＣＡＤデータを補正するものや（例えば特許文献１参照）、２次元の図面およびその実物の３次元データを用いて３次元モデルを生成するもの（例えば特許文献２参照）がある。
特開２００３−２４２１８６号公報 特開２００１−１８４５２７号公報

上述したリバースエンジニアリングにおいては、単一の３次元測定装置で測定するため、大型構造物や複数の補強材が設置された複雑な構造物を精度良く３次元ＣＡＤモデルに生成することが困難であった。また、３次元ＣＡＤデータを生成するものの、形状寸法等のデータのみが把握可能で、測定されたものを生かして構造解析、振動解析等の機械特性データを一連のシステム上で得ることができなかった。

図面のない製品における強度、振動データは、部品交換等のリプレースを行うためには重要なものであり、それらのデータが把握不可能では迅速且つ精度良い部品交換作業ができない。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、大型構造物や複雑構造物を複数種の３次元測定器により精度良く測定し、３次元ＣＡＤデータを生成すると共にそのＣＡＤデータを用いて一連のシステム内で有限要素解析を実施することにより対象構造物や部品の強度や振動等の機械的特性を把握し、部品交換、修理等のリプレースに活用できるようにすることを目的とする。

形状測定に基づく構造解析システムにおいて、構造物の３次元形状を計測する複数種の３次元形状計測装置と、その複数種の３次元形状計測装置によって計測された点群データを入力・合成する装置と、合成処理した点群データを３次元ＣＡＤモデルに変換する３次元ＣＡＤモデル変換処理装置と、３次元ＣＡＤモデルを用いて有限要素法解析モデルを作成する解析モデル作成装置と、その解析結果を評価する評価装置と、３次元ＣＡＤモデルの形状から各方向の形状を抽出して２次元図面に変換する２次元変換処理装置と、各変換装置から出力された処理データを構造物の設置場所、機能毎に格納するデータベースとを有することを特徴とする。

本発明は、上述のように構成したので、測定から３次元ＣＡＤ作成、２次元図面作成、有限要素法解析、評価、データベース化が一連のシステム内で実施でき、形状測定から形状データ、強度データ等の図面がない製品における部品製作に必要不可欠なデータを迅速にしかも精度良く求めることができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の形状測定に基づく構造解析システムの実施の形態について説明する。

図１は本発明の構造解析システムの概略構成を示す構成図であって、構造解析を行なおうとする構造物の３次元形状を測定する３次元形状計測装置１と、その３次元形状計測装置１によって計測された点群データを入力・合成処理する点群データ入力・合成処理装置２と、合成処理した点群データを３次元ＣＡＤモデルに変換する３次元ＣＡＤ変換処理装置３と、３次元ＣＡＤモデルを用いて有限要素法解析モデルを作成する解析モデル作成装置４と、その解析結果を評価する解析結果評価装置５と、３次元ＣＡＤモデルの形状から各方向の形状を抽出して２次元図面に変換する２次元図面変換処理装置６と、各変換装置から出力された処理データを構造物の設置場所、機能ごとに格納するデータベース７とから構成されている。

ところで、上記構造物の全体の３次元形状を測定する３次元形状計測装置１としてはレーザ計測装置が知られているが、このレーザ計測装置は全体の形状計測には適しているが、精度が要求される部分等の計測には必ずしも十分ではない。そこで、上記構造物の全体の形状計測にはレーザ計測装置１ａを使用し、精度が要求される狭い部分については多関節測定器１ｂを用いて計測し、さらに狭い部分や構造上レーザが届かない範囲はデジタルカメラ１ｃやＣＣＤカメラ１ｄ等で測定する。すなわち、上記レーザ計測装置１ａ、多関節測定器１ｂ、デジタルカメラ１ｃやＣＣＤカメラ１ｄ等の複数種の３次元形状計測装置を、その構造物の大きさや測定する部分に要求される精度等に応じて選定し、上記複数種の３次元形状計測装置により構造物の形状を測定する。

このように複数種の３次元形状計測器を使用することにより、表面形状のみならず構造物内に設けられている補強部分の形状測定や、直接構造物に接しての形状測定を行うことができ、より複雑な構造物の形状作成を迅速にしかも精度よく作成することができる。

そこで、上記複数種の３次元形状計測器により測定した点群データを点群データ入力・合成処理装置２に入力し、そこで複数種の３次元形状計測器により測定した点群データを合成処理し、さらに３次元ＣＡＤ変換処理装置３において３次元ＣＡＤモデルを作成する。

上記各計測器によるデータ測定範囲は各計測器間で重複する部分を設け、上記データ合成においては上記重複部分を重ね合わせることにより複数の測定データから一つの構造物の形状データを作成する。また、上記合成においては、図２に示すように、構造物１１の複数箇所に形状寸法の基準となる丸棒の如きマーカー１２を装着しておき、そのマーカー１２の中心を基準にして合成することにより、さらに複雑な構造物のデータ合成を簡便にかつ迅速に実施することができる。特に、マーカーを丸棒とした場合には、どの方位から見てもその丸棒の高さ中心と幅中心の交点を中心基準とすることにより、異なった方位から測定されたデータを簡便に重ね合わせることが可能となる。

一方、有限要素法解析モデル作成装置４においては、３次元ＣＡＤ変換処理装置３において作成された３次元ＣＡＤモデルに対して、構造物の設置状況、運転条件を模擬した荷重条件８、および上記構造物が単に置かれているだけか、部分的に固定されているか全体的に固定されているか等の境界条件９を付加して、有限要素法解析モデルを作成し、有限要素法解析を実施する。すなわち、応力解析、振動解析に応じた荷重条件或いは上記境界条件を各パターンから選択することによって、要素分割時で用いられるプリポスト内のコマンドプロシージャで自動的に上記荷重条件或いは境界条件が設定され、有限要素法解析モデルが作成される。そこで、上記有限要素法解析の結果が解析結果評価装置５により評価され、その評価結果が前記構造物の設置場所、機能毎にデータベース７に格納される。また、２次元図面変換処理装置６において３次元ＣＡＤモデルの形状から各方向の形状が抽出され２次元図面に変換され、この変換された処理データもデータベース７に格納される。

しかして、形状測定から３次元ＣＡＤ作成、２次元図面作成、有限要素解析法解析、評価、データベース化が一連のシステム内で実施でき、形状測定から形状データ、強度データ等の図面がない製品における部品製作に必要不可欠なデータを迅速にしかも精度良く求めることができる。

ところで、計測される構造物が大きい場合には、その大きさおよび形状と測定器の精度に応じて測定面を複数に分割し、その分割数にしたがって上記構造物の対応する面を測定し、その複数に分割合成したデータを最終的に合成して同一の構造物を構築する。例えば、図３に示す幅３ｍ、長さ５ｍの大型構造物では、測定器の精度を考慮して重複形状を含めて正面、裏面、側面２箇所、各正面、裏面の両斜め方向から各２箇所の計８ショット、製品の中身についての測定を実施する場合はこの８ショットブラス、内面構造の形状により更に４ショットから８ショットの測定を実施する。図４に推奨ショット数を算出するフローの概要を示す。まず、曲面構造か薄板構造か或いは厚板形状か等の形状タイプを入力し、その後に幅、長さ、高さの形状寸法、および測定したい面の精度すなわち点群間隔に対する測定する表面積を入力する。ここでの推奨測定ショット数は１ショットの精度と測定する表面積を考慮している。この決定方法は求めたい形状の精度によって変化するため、大型構造物の製品においてもショット数は２〜３ショットになり、求めたい形状目的に応じて、効率的な測定が可能となる。

また、有限要素法解析モデルによる解析においては、解析目的と解析対象の形状特徴に合わせて要素分割数を調整することが必要である。すなわち、図５に示すように、応力解析、或いは振動解析かの解析目的の選択を行い、計算機の能力を制限条件とした解析目的と形状寸法に対応した最小要素寸法を決定し、最適分割数の決定を行う。例えば、応力・変位等を求める構造解析では求めたい部位を細かく分割し、振動モードを求めるような振動解析と比較して全体的に要素分割数を細かくする。また、振動解析においては振動モードを求めるためにかなりの計算時間が費やされるため、応力解析と比較して全体的に粗めの要素分割数とする。分割数の決定方法は計算機能力に依存し、例えば応力解析の場合、形状寸法（表面積）と求めたい精度（最小要素寸法）を考慮して算出する。この方法によれば、形状と解析目的で、有限要素法の分割数を自動的にしかも、所有する計算機の能力に応じた処理が可能なため、迅速なモデル化、解析化が可能となる。

本発明に係る形状測定に基づく構造解析システムは、溶接時の熱による変形測定にも利用することができる。すなわち、大型溶接構造物は溶接による変形防止のため、変形防止治具を用いたり、溶接順序、条件等を工夫したりしている。いずれの施策も溶接による変形量を定量的に把握することが必要となるが、溶接時の熱により変形測定は非常に困難なものとなる。

そこで、本発明においては、レーザ計測装置により溶接施工前の形状を測定して、その点群データからサーフェイスを貼り表面形状を作成し、その表面モデルに溶接後に測定した点群データを重ね合わせることにより、溶接前後の変形を表面形状と点群位置からの距離によって把握する。しかして、溶接前に製品の形状を測定して表面形状のみを作成し、その表面モデルに溶接後の点群データを重ね合わせることによって、容易に変形が求められ、溶接変形の防止策が簡便に策定可能となる。

２次元ＣＡＤモデルの形状から２次元図面を作成する場合には、前記点群データより作成された３次元ＣＡＤモデルを上面、側面、正面、裏面方向の各方向から見た状態で記録装置に個別に記録し、個別に記録した各方向の３次元モデルを第三角法にて１枚の２次元図面として変換する。図面のない製品から実際に交換部品を製造する場合は、寸法が記入された２次元図面が必要となる。通常、３次元計測したデータからは２次元形状の作成は困難であるが、図６に示すように３次元ＣＡＤモデルを２次元図面のベースとなる各方向から見た状態で記録すると共に、その状態で寸法ａ〜ｆ等を同時に表示しておく。これらの画像を例えば、第三角法にて１枚の画像に組み込むことにより、図７に示すような３次元ＣＡＤデータから２次元図面の作成が可能となり、部品交換時の製品製造を簡便に行なうことが可能となる。

一方、図面のない例えば他社製品のような場合、設置場所、機能は勿論のこと、その製品の形状や解析結果からの強度・振動データをデータベースに記録しておくことにより、同容量の製品または類似製品への適用が発生した場合、新に３次元計測をすることなく、データベースに記録されているデータを読み出すことによって対応が可能となる。

また、構造解析を行いたい構造物が海外のプラントに設置されている場合には、その構造物の測定ルーチンを考えると、現場で測定した後に、帰国後、点群データの整理を行い、３次元ＣＡＤデータの作成、解析モデルの作成の順となり、データ測定からモデル作成までに無駄な時間が多く費やされる。そこで、構造物が設置されているプラントで測定された点群データをインターネット等のＩＴを利用した情報伝達手段で設計またはＣＡＤ製作部門に転送し、その設計またはＣＡＤ製作部門でデータ処理を行うこともできる。

この場合、測定データ一括では容量が非常に大きくなるので、各部品レベルに分割してインターネット等で設計、ＣＡＤ部門に直接転送することにより、製品形状を熟知した技術者が測定からのロスタイムを省略し、短時間でモデル作成を行うことができる。

本発明の構造解析システムの全体構成図。 本発明における形状測定の一手段を示す概略説明図。 本発明における３次元測定の測定方向を示す説明図。 本発明における形状測定の最適ショット数を算出するフローチャート。 本発明における要素分割数の決定手段を示すフローチャート。 本発明の２次元図面に変換するための変換方向を示す説明図。 本発明における３次元ＣＡＤモデルを２次元図面に変換した場合の概略図。

符号の説明

１ ３次元形状計測装置
１ａ レーザ計測装置
１ｂ 多間節測定装置
１ｃ デジタルカメラ
１ｄ ＣＣＤカメラ
２ 点群データ入力・合成処理装置
３ ３次元ＣＡＤモデル変換処理装置
４ 有限要素法解析モデル作成装置
５ 解析結果評価装置
６ ２次元図面変換処理装置
７ データベース
１１ 構造物
１２ マーカー

Claims (11)

1. 構造物の３次元形状を計測する複数種の３次元形状計測装置と、その複数種の３次元形状計測装置によって計測された点群データを入力・合成する点群データ入力・合成装置と、合成処理した点群データを３次元ＣＡＤモデルに変換する３次元ＣＡＤ変換処理装置と、３次元ＣＡＤモデルを用いて有限要素法解析モデルを作成する有限要素法解析モデル作成装置と、その解析結果を評価する解析結果評価装置と、解析結果評価装置から出力された処理データを格納するデータベースとを有することを特徴とする、形状測定に基づく構造解析システム。
2. ３次元ＣＡＤモデルの形状から各方向の形状を抽出して２次元図面に変換する２次元図面変換処理装置を有することを特徴とする、請求項１記載の形状測定に基づく構造解析システム。
3. 同一の構造物の全体をレーザ計測装置によって計測を行うとともに、狭い部分や、構造上レーザが届かない範囲はデジタルカメラで測定し、また精度を要求される狭い部分については多関節測定器を用いて計測することを特徴とする、請求項１記載の形状測定に基づく構造解析システム。
4. 同一の構造物を複数の３次元形状計測装置によって測定し、得られた点群データを合成する場合、計測する点群データを構造物の大きさ・形状に対応させて測定する分割数を指定して測定し、その複数に分割合成したデータを最終的に更に合成して同一の構造物を構築することを特徴とする、請求項１記載の形状測定に基づく構造解析システム。
5. ３次元ＣＡＤモデルを用いて有限要素法解析モデルを作成する場合、解析目的と解析対象の形状特徴に合わせて、要素分割数を調整することを特徴とする、請求項１記載の形状測定に基づく構造解析システム。
6. ３次元ＣＡＤモデルを用いて有限要素法解析モデルを作成する装置には、製品の設置状況、運転条件を模擬した荷重条件、境界条件を付加することを特徴とする、請求項１記載の形状測定に基づく構造解析システム。
7. レーザ計測装置により溶接施工前の形状を測定して、その点群データからサーフェイスを貼り表面形状を作成し、その表面モデルに溶接後に測定した点群データを重ね合わせ、上記表面形状と点群位置との距離によって溶接前後の変形を把握することを特徴とする、請求項１記載の形状測定に基づく構造解析システム。
8. 測定した点群データにより作成された３次元ＣＡＤモデルを上面、側面、正面、裏面方向の各方向から見た状態でモデルを記録装置に個別に記録し、個別に記録した各方向の３次元ＣＡＤモデルを第三角法にて１枚の２次元図面として変換することを特徴とする、請求項２記載の形状測定に基づく構造解析システム。
9. 各装置で処理された各データを測定対象の設置場所、機能、容量等の特徴とともにデータベースに記録することを特徴とする、請求項１記載の形状測定に基づく構造解析システム。
10. 製品が設置されているプラントで測定された点群データをインターネット等の情報転送手段で設計またはＣＡＤ製作部門に転送し、データ処理を行うことを特徴とする、請求項１記載の形状測定に基づく構造解析システム。
11. 複数種の３次元形状計測装置により構造物の３次元形状を計測し、その複数種の３次元形状計測装置によって計測された点群データを入力・合成し、合成処理した点群データを３次元ＣＡＤモデルに変換するとともに、その３次元ＣＡＤモデルを用いて有限要素法解析モデルを作成し、その解析結果を評価し、解析結果評価装置から出力された処理データをデータベースに格納することを特徴とする、形状測定に基づく構造解析方法。

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