JP2022190226A - 圧力容器のひずみ解析装置および圧力容器の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造条件とひずみとの相関関係を把握することが可能な圧力容器のひずみ解析装置を提供する。【解決手段】圧力容器のひずみ解析装置１は、解析部１１を備える。解析部１１は、複数の圧力容器の複数の製造条件ＭＣ１～ＭＣ６と、当該複数の製造条件ＭＣ１～ＭＣ６の下で製造された複数の圧力容器に所定の内圧をかけた状態で画像相関法により取得された複数のひずみＳｔとに基づいて、複数の製造条件ＭＣと複数のひずみＳｔとの相関関係ＣＲを算出する。【選択図】図１

Description

本開示は、圧力容器のひずみ解析装置および圧力容器の製造方法に関する。

従来から圧力容器の検査方法に関する発明が知られている。下記特許文献１は、製造した圧力容器の状態を非破壊で簡便に判断できる圧力容器の製造方法を提供することを目的として、以下のような圧力容器の検査方法を開示している（要約、請求項１、第０００７段落等）。この従来の検査方法の検査対象である圧力容器は、筒状の直胴部と、その直胴部の両端に設けられ、直胴部から離れるにつれて窄む形状のドーム部とを備えている。直胴部およびドーム部は、容器本体と、その容器本体の外側に設けられた繊維強化樹脂複合材料層とで形成されている。

この従来の圧力容器の検査方法は、使用圧力として同じ設計に基づいて製造されたｐ個（ｐは３以上の整数）の圧力容器からなる圧力容器群を用いている。そして、その圧力容器群のそれぞれの圧力容器に対し、上記使用圧力以上の圧力を負荷した状態で、上記直胴部の軸方向において異なる３箇所以上を含むｑ箇所（ｑは３以上の整数）でフープ方向のひずみを測定してその標準偏差を求める。さらに、その標準偏差を用いて各圧力容器の状態を判断する。

特開２０２０－１５３５０３号公報

特許文献１は、ひずみの測定方法として、ひずみゲージ法、オプティカルファイバー法、画像相関法等を例示している（第００４３段落）。しかしながら、ひずみゲージ法やオプティカルファイバー法では、圧力容器に貼り付けたり埋め込んだりしたひずみゲージやオプティカルファイバーなどのセンシング素子によって、圧力容器のひずみを測定する。

そのため、ひずみゲージ法やオプティカルファイバー法では、厳密には、センシング素子を含まない実際の圧力容器のひずみを計測することはできない。一方、画像相関法では、センシング素子を含まない実際の圧力容器のひずみを計測することは可能であるが、圧力容器の製造条件とひずみとの相関関係を把握することはできない。

本開示は、圧力容器の製造条件とひずみとの相関関係を把握することが可能なひずみ解析装置と、その相関関係を用いた圧力容器の製造方法を提供する。

本開示の一態様は、複数の圧力容器の複数の製造条件と、前記複数の製造条件の下で製造された前記複数の圧力容器に所定の内圧をかけた状態で画像相関法により取得された複数のひずみとの相関関係を算出する解析部を備えることを特徴とする圧力容器のひずみ解析装置である。

上記態様の圧力容器のひずみ解析装置は、解析対象の圧力容器の製造条件が入力される入力部と、前記入力部に入力された前記製造条件と、前記解析部により算出された前記相関関係とに基づいて、前記入力部に入力された前記製造条件の下で製造された前記解析対象の圧力容器に前記所定の内圧をかけた状態で画像相関法により取得されるひずみの予測値を算出する演算部と、を備えてもよい。

上記態様の圧力容器のひずみ解析装置において、前記解析部は、前記複数の圧力容器の各々の圧力容器に規定された複数の解析区画の各々の解析区画に対する複数の製造条件と、当該複数の製造条件の下で製造された前記各々の圧力容器に所定の内圧をかけた状態で画像相関法により取得された前記各々の解析区画における複数のひずみとの相関関係を算出し、前記入力部は、前記解析対象の圧力容器の前記各々の解析区画に対する製造条件が入力され、前記演算部は、前記入力部に入力された前記製造条件と、前記解析部により算出された前記相関関係とに基づいて、前記解析対象の圧力容器の前記各々の解析区画のひずみの予測値を算出するようにしてもよい。

上記態様の圧力容器のひずみ解析装置において、前記解析部は、前記相関関係を機械学習により算出する機械学習部を含んでいてもよい。

上記態様の圧力容器のひずみ解析装置において、前記製造条件は、前記圧力容器のライナーの外形情報、前記ライナーの厚さ、前記圧力容器の繊維強化樹脂層の形成時に前記ライナーに巻き付けられる熱可塑性樹脂が含浸された繊維束の巻き付け条件、または、形成後の前記繊維強化樹脂層のボイド率の少なくとも一つを含むことができる。

本開示の一態様は、複数の圧力容器の複数の製造条件と、当該複数の製造条件の下で製造された前記複数の圧力容器に所定の内圧をかけた状態で画像相関法により取得された複数のひずみとの相関関係を算出し、前記相関関係に基づいて、新たに製造する圧力容器のひずみが所定値以下となる製造条件を算出し、算出した前記製造条件を用いて新たな圧力容器を製造することを特徴とする圧力容器の製造方法である。

本開示の上記態様によれば、圧力容器の製造条件とひずみとの相関関係を把握することが可能なひずみ解析装置と、その相関関係を用いた圧力容器の製造方法を提供することができる。

本開示に係る圧力容器のひずみ解析装置の実施形態を示すブロック図。 図１のひずみ解析装置に入力される圧力容器の製造条件の説明図。 図１のひずみ解析装置に入力される圧力容器のひずみの説明図。 圧力容器の内圧とひずみの関係の一例を示すグラフ。 本開示に係る圧力容器の製造方法のフロー図。

以下、図面を参照して本開示に係る圧力容器のひずみ解析装置および圧力容器の製造方法の実施形態を説明する。

図１は、本開示に係る圧力容器のひずみ解析装置の実施形態を示すブロック図である。図２は、図１のひずみ解析装置１に入力される圧力容器の製造条件ＭＣの説明図である。本実施形態の圧力容器のひずみ解析装置１は、複数の圧力容器の複数の製造条件ＭＣと複数のひずみＳｔとの相関関係ＣＲを算出する解析部１１を備えている。また、図１に示す例において、解析部１１は、機械学習部１１ａを有し、ひずみ解析装置１は、さらに、入力部１２と、演算部１３とを備えている。

本実施形態のひずみ解析装置１は、たとえば、中央処理装置（ＣＰＵ）、メモリ、タイマ、および入出力部を備えたマイクロコントローラを含むコンピュータシステムである。図１のひずみ解析装置１の各部は、たとえば、メモリに記憶されたプログラムをＣＰＵによって実行することで実現される、ひずみ解析装置１の機能ブロックを示している。

図１に示す例において、ひずみ解析装置１は、たとえば、３Ｄスキャナ２と、フィラメントワインディング装置（ＦＷ装置３）と、撮像装置４と、コンピュータ断層撮影装置（ＣＴ装置５）と、デジタル画像相関法システム（ＤＩＣシステム６）とに接続されている。また、ひずみ解析装置１は、たとえば、入力装置７と、出力装置８と、製造装置９とに接続されている。なお、ひずみ解析装置１は、複数の圧力容器Ｔの製造条件ＭＣとひずみＳｔを取得するためのデータ取得部として、これらの装置を含んでもよい。

ひずみ解析装置１の解析対象である圧力容器Ｔは、たとえば、高圧の水素ガスが充填される高圧タンクである。圧力容器Ｔは、たとえば、ガスを収容するライナーＴ１と、そのライナーＴ１の外面を覆う繊維強化樹脂層Ｔ２とを備えている。繊維強化樹脂層Ｔ２は、たとえば、熱可塑性樹脂が含浸された繊維束Ｔ２１を、ＦＷ装置３によってライナーＴ１の外面に巻き付けることによって形成される。なお、図２では図示を省略しているが、圧力容器Ｔは、ガスの出入口となる開口部と、その開口部を開閉するバルブを備えている。

３Ｄスキャナ２は、たとえば、圧力容器ＴのライナーＴ１にレーザを照射し、ライナーＴ１によって反射されたレーザをセンサによって検出することで、ライナーＴ１の外形の３次元形状データを取得する装置である。このライナーＴ１の外形の３次元形状データは、たとえば、圧力容器Ｔの製造条件ＭＣの一つであるライナーＴ１の形状情報として、ひずみ解析装置１に入力される。なお、ライナーＴ１の形状情報は、ライナープロファイルＭＣ１を含む。

ライナーＴ１の外面上の点は、たとえば、図２に示すように、円筒状のライナーＴ１の中心軸をＸ軸とし、その中心軸を中心とする中心角θをＹ軸とするＸＹ座標上の点として表すことができる。ライナープロファイルＭＣ１は、たとえば、そのＸＹ座標上の各点におけるライナーＴ１の中心軸から外面までの距離またはライナーＴ１の外面の半径として表すことができる。

図２に示す例において、ライナープロファイルＭＣ１は、ライナーＴ１の溶着ビードＷＢ上およびその近傍において、ライナーＴ１の他の部分よりもライナーＴ１の中心軸から外面までの距離（半径）が減少していることを示している。このようなライナーＴ１の外面の半径の部分的な減少は、たとえば、ライナーＴ１の外面の溶着ビードＷＢを研削等によって平坦化する際に生じ得る。

ＦＷ装置３は、たとえば、樹脂を含浸させた繊維束Ｔ２１を、ライナーＴ１の外面へ所定の供給速度で供給する装置である。さらに、ＦＷ装置３は、繊維束Ｔ２１に所定の張力を付与した状態で、繊維束Ｔ２１をライナーＴ１の外面上の所定の位置に巻き付けていく。ＦＷ装置３は、たとえば、繊維束Ｔ２１の供給速度を検出する速度センサと、繊維束Ｔ２１の張力を検出する張力センサとを備えている。

ＦＷ装置３は、たとえば、図２に示すように、ライナーＴ１の外面上の始点ＳＰから終点ＥＰまで繊維束Ｔ２１を巻回するとともに、繊維束Ｔ２１の巻回時の張力ＭＣ２と供給速度ＭＣ３を検出して記録する。ＦＷ装置３は、たとえば、図１に示すように、繊維束Ｔ２１の巻回時の張力ＭＣ２および供給速度ＭＣ３を、それぞれ、ひずみ解析装置１へ入力する。これら張力ＭＣ２および供給速度ＭＣ３は、圧力容器Ｔの製造条件ＭＣである繊維束Ｔ２１の巻き付け条件に含まれる。

撮像装置４は、たとえば、単眼カメラやステレオカメラであり、ＦＷ装置３によってライナーＴ１の外面上に配置された繊維束Ｔ２１のＸＹ座標である位置情報ＭＣ４を検出し、その位置情報ＭＣ４を、圧力容器Ｔの製造条件ＭＣの一つとして、ひずみ解析装置１へ入力する。なお、撮像装置４は、ＦＷ装置３に含まれていてもよい。この場合、ＦＷ装置３は、撮像装置４によって検出された位置情報ＭＣ４ごとに、張力ＭＣ２および供給速度ＭＣ３をひずみ解析装置１へ出力する。

ＣＴ装置５は、たとえば、ライナーＴ１に対する繊維束Ｔ２１の巻回の終了後に、繊維強化樹脂層Ｔ２が形成された圧力容器Ｔの中心軸に直交する断面の画像を取得する装置である。また、ＣＴ装置５は、たとえば、圧力容器Ｔの断面の画像に基づいて、ライナーＴ１の厚さＭＣ５およびボイド率ＭＣ６を検出する。ここで、ボイド率ＭＣ６は、たとえば、繊維強化樹脂層Ｔ２の各層に対するボイドの比率である。ＣＴ装置５は、たとえば、０．１［ｍｍ］以上のボイドを検出することが可能である。

ＣＴ装置５は、検出したライナーＴ１の厚さＭＣ５およびボイド率ＭＣ６を、それぞれ、圧力容器Ｔの製造条件ＭＣの一つとして、ひずみ解析装置１へ入力する。図２に示す例において、ＣＴ装置５からひずみ解析装置１へ入力されるライナーＴ１の厚さＭＣ５は、ライナーＴ１に溶着ビードＷＢが形成された部分において、他の部分よりも厚くなっていることを示している。なお、ライナーＴ１の厚さＭＣ５およびボイド率ＭＣ６は、たとえば、ＣＴ装置５によって取得された圧力容器Ｔの断面の画像を用いて、ひずみ解析装置１またはその他の装置によって検出してもよい。

図３は、図１のひずみ解析装置１に入力される圧力容器ＴのひずみＳｔの説明図である。ＤＩＣシステム６は、上記の製造条件ＭＣの下で製造された圧力容器Ｔに所定の内圧をかけた状態で、画像相関法によって圧力容器ＴのひずみＳｔを取得する。より具体的には、まず、圧力容器Ｔに内圧をかけていない状態、すなわち、圧力容器Ｔの開口部を開いて圧力容器Ｔの内部と外部を連通させた状態で、圧力容器Ｔの外面にスペックルパターンと呼ばれるランダムな模様を塗装する。

そして、圧力容器Ｔに内圧をかけていない状態で、スペックルパターンが塗装された圧力容器Ｔの画像の撮影を開始し、圧力容器Ｔの開口部から圧力容器Ｔの内部へ空気などの気体を送り込み、圧力容器Ｔの内圧を上昇させる。この際、圧力容器Ｔの内圧は、たとえば、圧力容器Ｔの許容最大圧力よりも低い圧力、より具体的には、たとえば、圧力容器Ｔが破裂する圧力の５０％程度の圧力まで上昇させる。

ＤＩＣシステム６は、圧力容器Ｔに内圧をかける前の画像と、圧力容器Ｔに内圧をかけた状態の画像とを用い、画像相関法によって圧力容器ＴのひずみＳｔを取得する。ここで、ＤＩＣシステム６によって取得される圧力容器ＴのひずみＳｔは、たとえば、図３に示すＸ軸方向とＹ軸方向のそれぞれのひずみを含む。図２では、ＤＩＣシステム６によって取得される圧力容器ＴのＸ軸方向のひずみＳｔの一例を示している。この例では、ライナーＴ１の溶着ビードＷＢおよびその近傍においてほかの部分よりもＸ軸方向のひずみＳｔが大きくなっている。

また、図３に示すように、ＤＩＣシステム６は、たとえば、圧力容器Ｔに規定された複数の解析区画ＡＣの各々の解析区画ＡＣに対するひずみＳｔを取得する。図３に示す例では、ひずみＳｔが大きい解析区画ＡＣほど黒色に近い濃色で表され、ひずみＳｔが小さい解析区画ＡＣほど白色に近い淡色で表されているが、実際には様々な色によってひずみＳｔの大きさを表すことができる。圧力容器Ｔの表面に規定される複数の解析区画ＡＣは、たとえば、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に平行な境界によって区画された複数の矩形の領域とすることができる。また、各区画の大きさは、圧力容器Ｔ上の位置によって異なっていてもよい。

具体的には、たとえば、ライナーＴ１の溶着ビードＷＢ上およびその近傍において、他の部分よりも解析区画ＡＣの大きさを小さくしてもよい。この場合、溶着ビードＷＢ上の解析区画ＡＣのＸ軸方向の大きさは、たとえば、溶着ビードＷＢの幅よりも小さくされる。また、各々の解析区画ＡＣの大きさは、たとえば、ライナーＴ１に巻き付けられる繊維束Ｔ２１の幅に基づいて決定してもよい。

具体的には、Ｙ軸方向に対して傾斜して巻回される繊維束Ｔ２１上に、Ｙ軸方向において１つの解析区画ＡＣが位置するように、解析区画ＡＣの大きさを決定することができる。これにより、各々の解析区画ＡＣが必要以上に小さくなることが防止され、各々の解析区画ＡＣのひずみＳｔが平均化されることで、繊維束Ｔ２１の配向の影響を低減することができる。

図４は、圧力容器Ｔの内圧ＰとひずみＳｔとの関係の一例を示すグラフである。ここでは、圧力容器ＴのひずみＳｔを検出する際に、圧力容器Ｔの内圧Ｐを圧力容器Ｔが破裂する内圧ＰＸの５０％程度の低い圧力Ｐ１に設定する理由を説明する。図４のグラフにおいて、横軸は圧力容器Ｔの内圧Ｐであり、縦軸は圧力容器ＴのひずみＳｔである。

図４に示すように、圧力容器ＴのひずみＳｔの検出時の内圧Ｐ１と、圧力容器Ｔが破裂する内圧ＰＸとの間には、相関関係がある。したがって、圧力容器ＴのひずみＳｔの検出と圧力容器Ｔの破裂試験とを繰り返し行ってデータを蓄積することで、圧力容器ＴのひずみＳｔの検出時の内圧Ｐ１と圧力容器Ｔの破裂時の内圧ＰＸとの相関関係を求めることができる。さらに、その相関関係に基づいて、ひずみＳｔの検出時の内圧Ｐ１から破裂時の内圧ＰＸを求めることができる。

図１に示す入力装置７は、たとえば、キーボード、ＵＳＢ接続端子、ディスクドライブなどを含む。入力装置７は、たとえば、圧力容器Ｔに所定の内圧Ｐ１をかけたときのひずみＳｔの目標値などを入力するために用いられる。出力装置８は、たとえば、画像表示装置であり、ひずみ解析装置１から出力される圧力容器ＴのひずみＳｔの算出結果や、圧力容器Ｔの製造条件ＭＣなどを表示する。製造装置９は、たとえば、ライナーＴ１の製造装置やＦＷ装置３などを含む圧力容器Ｔの製造装置であり、ひずみ解析装置１から出力される圧力容器Ｔの製造条件ＭＣが入力される。

以下、本実施形態のひずみ解析装置１の動作と、本実施形態の圧力容器Ｔの製造方法Ｍを説明する。図５は、本開示に係る圧力容器の製造方法Ｍの実施形態を示すフロー図である。

ひずみ解析装置１は、まず、複数の圧力容器Ｔの複数の製造条件ＭＣを取得する（工程Ｍ１）。具体的には、ひずみ解析装置１は、たとえば、解析部１１により、３Ｄスキャナ２から入力されたライナープロファイルＭＣ１と、ＦＷ装置３から入力された繊維束Ｔ２１の張力ＭＣ２および供給速度ＭＣ３を取得する。また、ひずみ解析装置１は、たとえば、解析部１１により、撮像装置４から入力された繊維束Ｔ２１の位置情報ＭＣ４と、ＣＴ装置５から入力されたライナーＴ１の厚さＭＣ５およびボイド率ＭＣ６を取得する。

ひずみ解析装置１は、次に、複数の圧力容器Ｔの複数のひずみＳｔを取得する（工程Ｍ２）。具体的には、ひずみ解析装置１は、たとえば、解析部１１により、ＤＩＣシステム６から入力されたひずみＳｔを取得する。ここで、ひずみ解析装置１が取得するひずみＳｔは、前述のように、前の工程Ｍ１において取得した複数の製造条件ＭＣの下で製造された複数の圧力容器Ｔに所定の内圧Ｐ１をかけた状態で画像相関法により取得された複数のひずみＳｔである。

ひずみ解析装置１は、次に、解析部１１により、前の工程Ｍ１，Ｍ２で取得した複数の製造条件ＭＣと複数のひずみＳｔとの相関関係ＣＲを算出する（工程Ｍ３）。具体的には、解析部１１は、たとえば、各々の圧力容器Ｔに規定された複数の解析区画ＡＣの各々の解析区画ＡＣに対する製造条件ＭＣと、その製造条件ＭＣの下で製造された圧力容器Ｔに所定の内圧Ｐ１をかけた状態で画像相関法により取得された各々の解析区画ＡＣにおけるひずみＳｔとを用いる。以下の表１に、解析部１１が相関関係ＣＲの算出に使用する情報の一例を示す。

表１に示すように、圧力容器Ｔの製造条件ＭＣは、たとえば、ライナーＴ１のＸＹ座標の位置に対するライナーＴ１の半径（ライナープロファイルＭＣ１）および厚さＭＣ５、繊維束Ｔ２１の張力ＭＣ２および供給速度ＭＣ３、各々の繊維強化樹脂層のボイド率ＭＣ６を含む。ひずみ解析装置１の解析部１１は、たとえば、表１に示すように、複数のライナーＴ１または複数の圧力容器ＴのＸＹ座標の各々の位置に対するひずみＳｔと製造条件ＭＣとをメモリに格納する。

ここで、解析部１１は、たとえば、各々の圧力容器Ｔに規定された複数の解析区画ＡＣの各々の解析区画ＡＣに対する製造条件ＭＣと、各々の解析区画ＡＣにおけるひずみＳｔとに基づいて、各々の解析区画ＡＣの製造条件ＭＣとひずみＳｔとの相関関係ＣＲを算出する。解析部１１は、たとえば、図１に示すように、機械学習部１１ａを含んでいる。機械学習部１１ａは、複数の製造条件ＭＣと複数のひずみＳｔとの相関関係ＣＲを、機械学習により算出する。

ひずみ解析装置１は、次に、前の工程Ｍ３で解析部１１が算出した相関関係ＣＲに基づいて、解析対象の圧力容器ＴのひずみＳｔが所定値以下となる圧力容器Ｔの製造条件ＭＣを算出する（工程Ｍ４）。ここで、圧力容器ＴのひずみＳｔの所定値は、たとえば、図４に示すように、所定の破裂圧力ＰＸの圧力容器Ｔに、その破裂圧力ＰＸの５０％または５０％よりも小さい内圧Ｐ１を掛けたときのひずみＳｔの値に設定することができる。

より具体的には、たとえば、図１に示すように、入力装置７を介して、ひずみ解析装置１の入力部１２に、解析対象の圧力容器ＴのひずみＳｔの目標値を入力する。ここで、解析対象の圧力容器Ｔは、たとえば、新たに製造される圧力容器Ｔである。演算部１３は、たとえば、入力部１２に入力されたひずみＳｔの目標値と、解析部１１によって算出された相関関係ＣＲとに基づいて、解析対象の圧力容器ＴのひずみＳｔが目標値以下となる製造条件ＭＣを算出する。

ここで、ひずみ解析装置１の入力部１２に入力する圧力容器ＴのひずみＳｔの目標値は、たとえば、図３に示すように、圧力容器Ｔの各々の解析区画ＡＣのひずみＳｔの目標値であってもよい。この場合、演算部１３は、入力部１２に入力されたひずみＳｔの目標値と、解析部１１によって各々の解析区画ＡＣに対して算出された相関関係ＣＲとに基づいて、各々の解析区画ＡＣのひずみＳｔが目標値以下となる圧力容器Ｔの製造条件ＭＣを算出する。

ひずみ解析装置１は、次に、算出した製造条件ＭＣを用いて圧力容器Ｔを製造する（工程Ｍ５）。具体的には、ひずみ解析装置１の演算部１３は、たとえば、図１に示すように、算出した圧力容器Ｔの製造条件ＭＣを、出力装置８および製造装置９へ出力する。この圧力容器Ｔの製造条件ＭＣは、たとえば、表１および図２に示すように、ライナーＴ１のＸＹ座標の位置に対するライナーＴ１の半径（ライナープロファイルＭＣ１）および厚さＭＣ５、繊維束Ｔ２１の張力ＭＣ２および供給速度ＭＣ３、各々の繊維強化樹脂層のボイド率ＭＣ６を含む。

製造装置９は、ひずみ解析装置１から入力された圧力容器Ｔの製造条件ＭＣに基づいて圧力容器Ｔを製造する。なお、製造装置９に対する圧力容器Ｔの製造条件ＭＣの入力は、たとえば、出力装置８に表示された圧力容器Ｔの製造条件ＭＣに基づいて、作業員が製造装置９に入力することも可能である。以上により、図５に示す圧力容器の製造方法Ｍが終了する。

また、ひずみ解析装置１は、圧力容器Ｔの製造条件ＭＣに基づいて、解析対象の圧力容器ＴのひずみＳｔの予測値を算出することも可能である。ここで、解析対象の圧力容器Ｔは、たとえば、新たに製造された圧力容器Ｔである。具体的には、たとえば、図１に示すひずみ解析装置１の入力部１２に対し、表１に示すような解析対象の圧力容器Ｔの製造条件ＭＣを入力する。演算部１３は、入力部１２に入力された圧力容器Ｔの製造条件ＭＣと、解析部１１により算出された相関関係ＣＲとに基づいて、その製造条件ＭＣの下で製造される圧力容器ＴのひずみＳｔの予測値を算出する。

ここで、入力装置７を介して、ひずみ解析装置１の入力部１２に入力する圧力容器Ｔの製造条件ＭＣは、たとえば、圧力容器Ｔの各々の解析区画ＡＣに対する製造条件ＭＣであってもよい。この場合、演算部１３は、入力部１２に入力された各々の解析区画ＡＣの製造条件ＭＣと、解析部１１により算出された相関関係ＣＲとに基づいて、その製造条件ＭＣの下で製造される圧力容器Ｔの各々の解析区画ＡＣのひずみの予測値を算出する。

以上のように、本実施形態のひずみ解析装置１は、解析部１１を備えている。解析部１１は、前述のように、複数の圧力容器Ｔの複数の製造条件ＭＣと、その複数の製造条件ＭＣの下で製造された複数の圧力容器Ｔに内圧Ｐ１をかけた状態で画像相関法により取得された複数のひずみＳｔとの相関関係ＣＲを算出する。

このような構成により、本実施形態のひずみ解析装置１は、圧力容器Ｔの製造条件ＭＣとひずみＳｔとの相関関係ＣＲを把握することが可能になる。これにより、ひずみ解析装置１は、把握した相関関係ＣＲと、圧力容器Ｔの製造条件ＭＣとに基づいて、加圧試験を行うことなく、ひずみＳｔの予測値を算出することが可能になる。また、ひずみ解析装置１は、把握した相関関係ＣＲと、圧力容器ＴのひずみＳｔの目標値とに基づいて、そのひずみＳｔの目標値を達成するための製造条件ＭＣを算出することが可能になる。

また、本実施形態のひずみ解析装置１は、入力部１２と演算部１３とを備えている。入力部１２は、解析対象の圧力容器Ｔの製造条件ＭＣが入力される。演算部１３は、入力部１２に入力された製造条件ＭＣと、解析部１１により算出された相関関係ＣＲとに基づいて、入力部１２に入力された製造条件ＭＣの下で製造された解析対象の圧力容器Ｔに所定の内圧Ｐ１をかけた状態で画像相関法により取得されるひずみＳｔの予測値を算出する。

このような構成により、ひずみ解析装置１は、入力部１２に解析対象の圧力容器Ｔの製造条件ＭＣを入力することで、演算部１３により、当該製造条件ＭＣの下で製造された圧力容器ＴのひずみＳｔの予測値を算出することができる。これにより、圧力容器Ｔの内圧を上昇させてひずみＳｔを取得する必要がなくなる。また、ひずみ解析装置１は、入力部１２に所定のひずみＳｔを入力することで、演算部１３により、当該ひずみＳｔを実現可能な圧力容器Ｔの製造条件ＭＣを算出することができる。これにより、演算部１３によって算出された製造条件ＭＣに基づいて圧力容器Ｔを製造して、所定の内圧Ｐ１で所定のひずみＳｔの目標値を達成可能な圧力容器Ｔを製造することができる。

また、本実施形態のひずみ解析装置１において、解析部１１は、複数の圧力容器Ｔの各々の圧力容器Ｔに規定された複数の解析区画ＡＣの各々の解析区画ＡＣに対する複数の製造条件ＭＣと、当該複数の製造条件ＭＣの下で製造された各々の圧力容器Ｔに所定の内圧Ｐ１をかけた状態で画像相関法により取得された各々の解析区画ＡＣにおける複数のひずみＳｔとの相関関係ＣＲを算出する。また、入力部１２は、解析対象の圧力容器Ｔの各々の解析区画ＡＣに対する製造条件ＭＣが入力される。そして、演算部１３は、入力部１２に入力された製造条件ＭＣと、解析部１１により算出された相関関係ＣＲとに基づいて、解析対象の圧力容器Ｔの各々の解析区画ＡＣのひずみＳｔの予測値を算出する。

このような構成により、ひずみ解析装置１は、圧力容器Ｔの解析が要求される事象に応じて解析区画ＡＣの大きさを変更することで、圧力容器Ｔの製造条件ＭＣとひずみＳｔとの相関関係ＣＲをより正確に把握することが可能になる。具体的には、たとえば、ライナーＴ１において溶着ビードＷＢが切削された切削領域における解析区画ＡＣのＸ軸方向における大きさを溶着ビードＷＢの幅よりも小さくし、他の領域における解析区画ＡＣのＸ軸方向における大きさを切削領域の解析区画ＡＣよりも大きくすることができる。これにより、切削領域および溶着ビードＷＢのひずみＳｔに対する影響を正確に把握するとともに、その他の領域において隣接する解析区画ＡＣに同一値が重複して含まれることを防止して、製造条件ＭＣとひずみＳｔとの相関関係ＣＲをより正確に把握することが可能になる。

なお、解析区画ＡＣの大きさは、たとえば、圧力容器Ｔの繊維強化樹脂層に発生し得るボイドの大きさよりも大きいことが好ましい。ボイドの大きさは、たとえば、直径が０．１［ｍｍ］程度である。また、解析区画ＡＣの大きさは、圧力容器ＴのライナーＴ１に巻き付けられる繊維束の幅よりも小さいことが好ましい。たとえば、繊維束の幅が９［ｍｍ］程度である場合、解析区画ＡＣのＸ軸方向の大きさは、繊維束の幅の半分よりも小さい４［ｍｍ］程度に設定することができる。

また、本実施形態のひずみ解析装置１において、解析部１１は、製造条件ＭＣとひずみＳｔとの相関関係ＣＲを機械学習により算出する機械学習部１１ａを含む。

このような構成により、ひずみ解析装置１は、機械学習を行わない場合と比較して、製造条件ＭＣとひずみＳｔとの相関関係ＣＲをより正確に把握することが可能になる。また、前述のように、圧力容器Ｔに規定された複数の解析区画ＡＣにおいてひずみＳｔを取得することで、一つの圧力容器Ｔから取得することができる機械学習の教師データの数を増加させることができ、相関関係ＣＲの解析精度を向上させることができる。

また、本実施形態のひずみ解析装置１において、圧力容器Ｔの製造条件ＭＣは、表１に示すように、圧力容器ＴのライナーＴ１の外形情報、ライナーＴ１の厚さＭＣ５、繊維束の巻き付け条件、または、形成後の繊維強化樹脂層のボイド率ＭＣ６の少なくとも一つを含む。なお、ライナーＴ１の外形情報は、たとえば、前述のライナープロファイルＭＣ１を含む。また、上記の繊維束は、圧力容器Ｔの繊維強化樹脂層の形成時にライナーＴ１に巻き付けられる熱可塑性樹脂が含浸された繊維束であり、上記巻き付け条件は、たとえば、繊維束の張力ＭＣ２および供給速度ＭＣ３を含む。

このような構成により、ひずみ解析装置１は、上記のような製造条件ＭＣとひずみＳｔとの相関関係ＣＲを把握することができる。したがって、ひずみ解析装置１は、上記のような製造条件ＭＣからひずみＳｔを算出したり、所定のひずみＳｔの目標値から上記のような製造条件ＭＣを算出したりすることが可能になる。

また、本実施形態の圧力容器の製造方法Ｍは、前述のように、複数の圧力容器Ｔの製造条件ＭＣと、当該複数の製造条件ＭＣの下で製造された複数の圧力容器Ｔに所定の内圧Ｐ１をかけた状態で画像相関法により取得された複数のひずみＳｔとに基づいて、複数の製造条件ＭＣと複数のひずみＳｔとの相関関係ＣＲを算出する（工程Ｍ１～工程Ｍ３）。この圧力容器の製造方法Ｍでは、さらに、算出した相関関係ＣＲに基づいて、新たに製造する圧力容器ＴのひずみＳｔが所定値以下となる製造条件ＭＣを算出し（工程Ｍ４）、算出した製造条件ＭＣを用いて新たな圧力容器Ｔを製造する（工程Ｍ５）。

このような構成により、本実施形態の圧力容器の製造方法Ｍによれば、圧力容器ＴのひずみＳｔの目標値を達成可能な製造条件ＭＣで圧力容器Ｔを製造することが可能になり、圧力容器Ｔの生産性を著しく向上させることが可能になる。

以上説明したように、本実施形態によれば、製造条件ＭＣとひずみＳｔとの相関関係ＣＲを把握することが可能な圧力容器Ｔのひずみ解析装置１と、製造条件ＭＣとひずみＳｔとの相関関係ＣＲを用いた圧力容器の製造方法Ｍを提供することができる。

以上、図面を用いて本開示に係る圧力容器のひずみ解析装置と圧力容器の製造方法の実施形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本開示に含まれるものである。

たとえば、前述の実施形態では、完成した圧力容器Ｔに対して内圧Ｐ１を加えて画像相関法により圧力容器ＴのひずみＳｔを取得する例を説明したが、圧力容器Ｔの完成前の状態で内圧Ｐ１を加えてひずみＳｔを取得してもよい。

具体的には、たとえば、完成した圧力容器Ｔの繊維強化樹脂層の積層数が２５層であるとする。この場合、たとえば、ライナーＴ１に繊維束をヘリカル巻きで巻き付けて１層目の繊維強化樹脂層を形成し、その上に繊維束をフープ巻きで巻き付けて２層目から５層目までの繊維強化樹脂層を形成し、その上に繊維束をヘリカル巻きで巻き付けて６層目の繊維強化樹脂層を形成する。

このように、ひずみ解析装置１は、一部の繊維強化樹脂層のみが形成された未完成の圧力容器Ｔに対して内圧Ｐ１を加えて、圧力容器Ｔの製造条件ＭＣとひずみＳｔとの相関関係ＣＲを算出してもよい。このような構成により、ひずみ解析装置１は、ひずみＳｔと製造条件ＭＣとの相関関係ＣＲを取得しやすくすることができる。これは、圧力容器Ｔの構造上、繊維強化樹脂層におけるライナーＴ１側の層ほど、内圧Ｐ１により大きな応力が作用するためである。

１ ひずみ解析装置
１１ 解析部
１１ａ 機械学習部
１２ 入力部
１３ 演算部
ＡＣ 解析区画
ＣＲ 相関関係
Ｍ 圧力容器の製造方法
ＭＣ 製造条件
ＭＣ１ ライナープロファイル（ライナーの外形情報）
ＭＣ２ 繊維束の巻き付け条件（張力）
ＭＣ３ 繊維束の巻き付け条件（供給速度）
ＭＣ５ ライナーの厚さ
ＭＣ６ ボイド率
Ｐ１ 内圧
Ｓｔ ひずみ
Ｔ 圧力容器

Claims (6)

1. 複数の圧力容器の複数の製造条件と、前記複数の製造条件の下で製造された前記複数の圧力容器に所定の内圧をかけた状態で画像相関法により取得された複数のひずみとの相関関係を算出する解析部を備えることを特徴とする圧力容器のひずみ解析装置。
2. 解析対象の圧力容器の製造条件が入力される入力部と、
   前記入力部に入力された前記製造条件と、前記解析部により算出された前記相関関係とに基づいて、前記入力部に入力された前記製造条件の下で製造された前記解析対象の圧力容器に前記所定の内圧をかけた状態で画像相関法により取得されるひずみの予測値を算出する演算部と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の圧力容器のひずみ解析装置。
3. 前記解析部は、前記複数の圧力容器の各々の圧力容器に規定された複数の解析区画の各々の解析区画に対する複数の製造条件と、当該複数の製造条件の下で製造された前記各々の圧力容器に所定の内圧をかけた状態で画像相関法により取得された前記各々の解析区画における複数のひずみとの相関関係を算出し、
   前記入力部は、前記解析対象の圧力容器の前記各々の解析区画に対する製造条件が入力され、
   前記演算部は、前記入力部に入力された前記製造条件と、前記解析部により算出された前記相関関係とに基づいて、前記解析対象の圧力容器の前記各々の解析区画のひずみの予測値を算出することを特徴とする請求項２に記載のひずみ解析装置。
4. 前記解析部は、前記相関関係を機械学習により算出する機械学習部を含むことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のひずみ解析装置。
5. 前記製造条件は、前記圧力容器のライナーの外形情報、前記ライナーの厚さ、前記圧力容器の繊維強化樹脂層の形成時に前記ライナーに巻き付けられる熱可塑性樹脂が含浸された繊維束の巻き付け条件、または、形成後の前記繊維強化樹脂層のボイド率の少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１に記載の圧力容器のひずみ解析装置。
6. 複数の圧力容器の複数の製造条件と、当該複数の製造条件の下で製造された前記複数の圧力容器に所定の内圧をかけた状態で画像相関法により取得された複数のひずみとの相関関係を算出し、
   前記相関関係に基づいて、新たに製造する圧力容器のひずみが所定値以下となる製造条件を算出し、
   算出した前記製造条件を用いて新たな圧力容器を製造することを特徴とする圧力容器の製造方法。

Images