JP3787579B2

JP3787579B2 - 超音波探傷シミュレーションシステム、超音波探傷シミュレーションシステム方法およびその記録媒体

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Publication number: JP3787579B2
Application number: JP2003375373A
Authority: JP
Inventors: 均中村; 泰史池上
Original assignee: 株式会社Ｃｒｃソリューションズ
Priority date: 2003-11-05
Filing date: 2003-11-05
Publication date: 2006-06-21
Anticipated expiration: 2023-11-05
Also published as: JP2005140575A

Description

本発明は、超音波検査シミュレーションシステム、超音波探傷シミュレーションシステム方法およびその記録媒体に係わり、特に、超音波検査シミュレーションにおいて、有限要素法解析領域の自動追跡にレイトレース法を組み合わせることにより、またはパルス中心を算出し自動追尾する方法を採用することにより、解析の高速化を図った超音波検査シミュレーションシステム、超音波探傷シミュレーション方法およびそれらを実現するプログラムを記録した記録媒体に関する。

特開平５−９９９０５号公報には、超音波プローブ等で受信された音波を表す波形と、検査対象物である材料とその形状および超音波を特徴付けるパラメータに基づく数値シミュレーションの結果から得られる波形とを比較することにより、材料中の欠陥の有無を判別する方法が記載されている。

また、特開２００２−１２２６７５号公報には、地震波動伝播解析に特化して、有限要素法を用いて３次元解析を容易に行い、オペレータの作業量を大幅に軽減することを可能にした地震波動伝播シミュレーションシステムが記載されている。

特開平５−９９９０５号公報特開２００２−１２２６７５号公報

一般に、超音波検査を行う際に、検査対象物の形状を正確に知ることが困難であるために、対応した検査波形を正確に把握することが困難であった。また、プローブからの放射音場や検査対象物からの反射特性等を得る上で有効である検査体中の超音波伝播状況を実験結果から可視化することも困難であった。

そのため、数値計算によるシミュレーションが必要とされているが、従来は汎用的な波動解析ソフトは存在するが、超音波検査に特化したシミュレーションシステムあるいはシミュレーションソフトはなく、実用的な超音波検査シミュレーションを行うことができなかった。

また、上記特開２００２−１２２６７５号公報に開示されている地震波動伝播シミュレーションシステムを超音波検査シミュレーションシステムに適用することも考えられるが、単に均一メッシュの有限要素法による波動伝播コードによる２次元解析を行ったのでは、メッシュの数が数百万から数千万にも達するため、数十時間以上の解析時間を要する。また、これが３次元解析となると、数千万から数十億以上のメッシュが必要となるため、現状では高性能の並列計算機のような特殊な計算機を必要とし、現実的には実用化が困難であった。

ところで、超音波検査の超音波はパルスであり、伝播するパルス周辺の大きさは精々２０〜３０mm四方程度である。従って、有限要素法解析領域をこの周辺部に留め、解析領域をパルスの移動に追従して移動させるようにすれば、剛性マトリクス等の数値解析マトリクスの大きさを大幅に小さくすることができ、計算量を大幅に削減でき、高速に計算することが可能となる。

本発明の目的は、上記の問題点に鑑みて、超音波検査解析において、有限要素法解析領域の自動追跡にレイトレース法を組み合わせたり、またはパルス中心を算出し自動追尾する方法を採用することにより、解析を高速に行うことを可能にした超音波検査シミュレーションシステム、超音波探傷シミュレーション方法およびそれらを実現するプログラムを記録した記録媒体を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するために、次のような手段を採用した。
第１の手段は、有限要素法により検査対象物モデルの超音波検査シミュレーションを行う超音波検査シミュレーションシステムにおいて、超音波検査の対象となる検査対象物モデルを作成する検査対象物モデル作成手段と、前記検査対象物モデルの領域に対して材料物性値を定義する材料物性値定義手段と、前記検査対象物モデルに入射する超音波入射波の定義、シミュレーション時間の定義、シミュレーション結果出力間隔の定義を行い、有限要素法による超音波検査シミュレーションを実行する解析条件定義手段および解析実行手段と、前記検査対象物モデルと前記解析実行手段による解析結果を表示する表示手段とを有し、前記解析実行手段は、レイトレース法によって超音波パルスの中心位置と時間を計算し記憶する手段と、前記記憶された中心位置と時間を読み出して有限要素法解析領域を決定する手段と、前記決定された有限要素法解析領域をメッシュに分割する手段と、前記メッシュに分割された有限要素法解析領域について有限要素法による解析を実行する手段とからなることを特徴とする。

第２の手段は、有限要素法により検査対象物モデルの超音波検査シミュレーションを行う超音波検査シミュレーションシステムにおいて、超音波検査の対象となる検査対象物モデルを作成する検査対象物モデル作成手段と、前記検査対象物モデルの領域に対して材料物性値を定義する材料物性値定義手段と、前記検査対象物モデルに入射する超音波入射波の定義、シミュレーション時間の定義、シミュレーション結果出力間隔の定義を行い、有限要素法による超音波検査シミュレーションを実行する解析条件定義手段および解析実行手段と、前記検査対象物モデルと前記解析実行手段による解析結果を表示する表示手段とを有し、前記解析実行手段は、有限要素法解析領域内での平均化処理により最大音圧を決定し記憶する手段と、前記記憶された最大音圧位置を読み出して有限要素法解析領域を決定する手段と、前記決定された有限要素法解析領域をメッシュに分割する手段と、前記メッシュに分割された有限要素法解析領域について有限要素法による解析を実行する手段とからなることを特徴とする。

第３の手段は、第１の手段または第２の手段において、前記表示手段は、ＧＵＩ操作画面を有し、該操作画面の表示に従って、少なくとも前記検査対象物モデルの作成、前記材料物性値の定義、前記解析条件の定義、解析実行指示、解析結果表示を行うことを特徴とする。

第４の手段は、第１の手段ないし第３の手段のいずれか１つの手段において、前記解析条件定義手段は、入射波の定義の際に、任意波形データファイルを読み込み、入射波形を定義する手段と、模擬する関数より関数波形を定義する手段とを有することを特徴とする。

第５の手段は、超音波検査シミュレーション方法が、有限要素法により検査対象物モデルの超音波シミュレーションを行う際、解析条件を読み込むステップと、有限要素法解析領域を決定するステップを有し、更に有限要素法解析領域内で有限要素法解析を実行するステップと、超音波パルスの中心位置を決定するステップと、有限要素法解析が進む毎に超音波パルスの中心位置の移動距離を算出し、算出した移動距離が、あらかじめ定めた一定距離以上であるかを判定するステップと、あらかじめ定めた一定距離に到達すると有限要素法解析領域を超音波パルスの中心位置の移動分、移動させるステップと、新たな有限要素法解析領域で有限要素法解析を実行するステップを有し、上記のステップを繰り返すことにより有限要素法解析領域を伝播する超音波パルスの中心位置周辺部に留めることを特徴とする。

第６の手段は、第５の手段において、前記超音波パルスの中心位置をレイトレース法によって求めることを特徴とする。

第７の手段は、第５の手段において、前記超音波パルスの中心位置を有限要素法解析領域内での平均化処理により最大音圧を決定することにより求めることを特徴とする。

第８の手段は、第５の手段ないし第７の手段のいずれか１つの請求項に記載の超音波検査シミュレーション方法を実現するプログラムを記録したプログラム記録媒体である。

本発明は、超音波検査に特化したシミュレーションシステムであるため、容易に検査対象物および欠陥をモデル化することが可能となり、またモデル化を正確に行うことができるので、大幅な作業の効率化および正確な検査波形を得ることが可能になる。

また、実験では得ることが困難な検査体中の超音波伝播状況を正確に確認することができるので、欠陥反射特性や複雑な伝播挙動を示す溶接内伝播特性を正確に知ることが可能となる。

さらに、有限要素の解析領域を伝播する超音波パルスの周辺部に留め、超音波パルスの移動に追従して解析を行うので、剛性マトリクスやその他の数値マトリクスの大きさを大幅に小さくして計算するこができるので、計算量を大幅に削減し、高速に効率よく計算することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る超音波検査シミュレーションシステムを図１乃至図３０を用いて説明する。

本実施形態に係る超音波検査シミュレーションシステムは、一連の解析作業をグラフィカル・ユーザー・インターフェース（ＧＵＩ）による操作画面に従って各種データの入力を行えるようにして、検査対象物モデルの作成、材料物性値の定義、解析条件の定義／解析実行、および解析結果の表示までを実施できるようにしたものである。この解析には、有限要素法を採用し、解析すべき検査対象物について均一化したメッシュを自動生成することにより、検査対象物モデルの３次元解析を可能にすると共に、解析領域をパルスが伝播するパルス周辺に留め、計算量を大幅に削減して、超音波検査シミュレーションシステムの実現を容易にしている。

図１は、本実施形態の発明に係る超音波検査シミュレーションシステムの概要を示すブロック図であり、この超音波検査シミュレーションシステムは、CPUを含む制御手段１、記憶手段２、データベース手段３、表示手段４、操作手段５、および出力手段６から構成されている。

記憶手段２には、このシミュレーションシステムを駆動するためのオペレーションプログラムの他、検査対象物モデルの作成、材料物性値の定義、解析条件の定義／解析実行、および解析結果の表示をそれぞれ実行するための各種プログラムが格納されている。

また、データベース手段３には、上記の各プログラムを実行する上で必要な、検査対象物モデルデータ、材料物性値データ、入射波形ファイルデータ、さらには画像ファイルデータが記憶されている。

表示手段４は、表示画面を有し、シミュレーションシステムの実行時に、ＧＵＩ操作できる画面を表示するものである。操作手段５は、マウス、キーボード等であり、オペレータがＧＵＩ操作画面に従って、データ入力、あるいは画面上でポインタを行うものである。また、出力手段６は、表示手段４に画面表示された情報を必要に応じてプリンタ等に出力するものである。

制御手段１は超音波検査シミュレーションを実行するにあたり、各手段を制御するものであり、操作手段５から入力された操作指示に従って、記憶手段２からプログラムを読み出し、またデータベース手段３から各種のデータを読み出して超音波検査シミュレーションを実行し、表示手段４にＧＵＩ操作画面を表示し、そのシミュレーションでの解析結果を表示手段４、データベース手段３または出力手段６に出力するものである。

次に、この超音波探傷シミュレーションシステムおいて、均一化したメッシュを自動生成することによる有限要素法解析を採用することによって、超音波伝播のシミュレーションをＧＵＩ操作により容易に実行できるようになったことを説明する。この超音波探傷シミュレーションで用いられる有限要素法の定式は次のとおりである。
数式１ [Ｍ][u2]+[C][u1]+[K][u]=[P]
ここで、[M]、[C]、[K]は、それぞれ質量マトリクス、減衰マトリクス、剛性マトリクスであり、[u2]、[u1]、[u]は、それぞれ加速度ベクトル、速度ベクトル、変位ベクトルである。また、[P]は、外力ベクトルである。そこで、数式（１）において、[u1] = (u_ｔ-u_ｔ−Δｔ)/Δt = v_ｔ、[u2] = (u_ｔ＋Δｔ-2u_ｔ+u_ｔ−Δｔ)/(Δt)^２とすると、数式（１）は以下の通り展開でき、t+Δt秒後の変位u_ｔ＋Δｔはt秒後の変位u_ｔおよび速度v_ｔを用いて以下の式で表される。
数式２ [u2] = [M]^−１([P]-[C][u1]-[K][u])
u_ｔ＋Δｔ = [M]^−１(Δt^２[P]+Δt([M]-Δt[C])v_ｔ+([M]-Δt^２[K])u_ｔ)

ここで、集中質量を採用すると、数式（２）の[M]^−１は、対角マトリクスとなり、陽解法で変位ｕ_ｔ＋Δｔを計算することができる。

本実施形態で採用される有限要素法解析では、メッシュ生成時にユーザが指定した解析効率上必要と思われる任意の領域内では、その形状を均一なメッシュ、例えば、正立方体とする。同一領域内では、その領域が有するパラメータは均一であるとして、解析時にも、その領域の均一性を利用して、解析の効率化を図るものである。

ここで、従来の有限要素法では、数式２に示される質量マトリクス、減衰マトリクス、剛性マトリクスについて、メッシュ形状に関する構成パラメータを、メッシュ毎に保持する必要がある。その構成パラメータは次式で表わせる。
数式３ f(S_１，S_２，…_，S_ｎ，[N_１，…_，N_ｋ]_１，[N_１，…_，N_ｌ]_２，…_，[N_ｌ，…_，N_ｍ]_ｎ)

ここで、S_１，S_２，…_，S_ｎは、解析領域内のｎ個の均一物性値領域に対する質量、減衰及び剛性のパラメータであり、領域数に比例して増加するものである。さらに、[N_１，…_，N_ｋ]_１，[N_１，…_，N_ｌ]_２，…_，[N_ｌ，…_，N_ｍ]_ｎは、ｎ個の均一物性値領域が、メッシュ形状に関する個々のパラメータを有する状態を示しており、メッシュ数に比例して増加するものである。

このように、従来の有限要素法により解析を行う場合には、解析領域内の全てのメッシュに対して，メッシュ形状に関するパラメータを用意しなければならないことが分かる。これらのパラメータをオペレータによって、一々手作業で入力しなければならず、しかも、膨大なメモリを消費することになる。そこで、本実施形態で採用する有限要素法では、次式で示されるように、質量マトリクス[M]_ｉｊ、減衰マトリクス[C] _ｉｊ、剛性マトリクス[K]_ｉｊについて、メッシュ形状に関する構成パラメータを、均一物性値領域毎に保持するようにした。
数式４ f(S_１，S_２，…_，S_ｎ，[N_１]_１，[N_１]_２，…_，[N_ｌ]_ｎ)

ここで、S_１，S_２，…_，S_ｎは、均一物性値領域毎の質量、減衰及び剛性パラメータであり、領域数に比例して増加するものである。さらに[N_１]_１，[N_１]_２，…_，[N_ｌ]_ｎは、ｎ個の均一物性値領域について、そのメッシュ形状に関するパラメータを示しており、均一物性値領域数に比例して増加するものである。

この数式３と数式４を比較すると、従来の有限要素法による解析と大きく異なることは、従来法では、ｎ個の均一物性値領域の個々のメッシュが、メッシュ形状に関するパラメータを有するのに対し、本実施形態の有限要素法解析では、ｎ個の均一物性値領域の個々のメッシュに関するパラメータは、均一物性値領域内では等しく、１つのメッシュに対するパラメータを使用する。

これは、同領域を、例えば、正立方体形状の均一メッシュで分割することによって実現され、数式４に示されるように、均一メッシュ領域毎にメッシュ形状に関するパラメータを圧縮している。そのため、これらのマトリクスを保持するには、たかだか均一領域数に比例するメモリを必要とするだけである。また、数式２に示される各時間ステップ毎の計算時にメッシュ形状に関するパラメータを展開して利用できるため、効率良く解析を行うことができる。

図２は、これまでに説明した均一メッシュによる有限要素法を用いた解析処理の手順を示すフローチャートである。まず、ステップａにて、超音波検査シミュレーションの解析に必要な条件、つまり、シミュレーションを実行する時間、シミュレーション出力をする間隔Δtを読み込み、ステップｂにて、数式４に従って、質量マトリクス、減衰マトリクス、剛性マトリクスの均一メッシュ内での圧縮を行う。次に、ステップｃの読み込まれた間隔Δtを更新する毎に、ステップｄにて、数式２で示されるメッシュ上の変位を、質量マトリクス、減衰マトリクス、剛性マトリクスを順次展開することにより計算する。そして、ステップｅにて、シミュレーション時間に到達するまで、時間を間隔Δt毎に更新して変位を計算し、その時間に到達すると、その解析処理は終了する。まだ、シミュレーション時間に到達していなければ、ステップｃに戻ってシミュレーション時間に到達するまで、時間を間隔Δt毎に更新しながら変位の計算が続行される。このような計算によって得られた変位に基づいて、ＧＵＩ画面上に超音波伝播の状態を表示することができる。

図３は、以上で示した均一メッシュによる有限要素法を採用した超音波検査シミュレーションシステムの操作手順を示す図であり、また、図４乃至図１４は、その手順に対応して、表示手段４に表示されるＧＵＩ操作画面の具体例を示す図である。

次にこれらの図を参照して、本実施形態に係る超音波検査シミュレーションシステムの操作処理について説明する。
超音波検査シミュレーションシステムの操作処理は、図３に示すように、検査対象物モデルの作成、材料物性値の定義、解析条件の定義／解析実行、および解析結果の表示の各ステップＳ１乃至Ｓ４から構成されている。そこで、操作手段５を操作すると、超音波検査シミュレーションシステムが起動し、制御手段１は、記憶手段２からオペレーションプログラムを読み出し、図４に示すように、該システムの初期画面を表示手段４が表示する。表示された画面には、「超音波検査シミュレーションシステム」のタイトル、メニュー欄M、および操作処理用ウインドウWが表示される。

メニュー欄Mには、シミュレーションに必要な操作メニューの一覧M１乃至M４が表示され、このM１乃至M４は、アイコン化されており、操作手段５を操作することにより順次指示することができる。M１は「検査対象物モデルの作成」、M２は「材料物性値の定義」Ｍ３は「解析条件の定義および解析実行」、およびM４は「解析結果の表示」を示している。これらのアイコンM１乃至M４を選択指示すると、制御手段１は、記憶手段２から選択指示された対応する操作処理プログラムを読み出し、プログラムを実行する。さらに必要なＧＵＩ操作画面を表示手段４に表示する。なお、各図において、画面中で選択されたアイコンについては太線枠で示した。

第１の手順として、図５に示すように、「検査対象物モデルの作成」のアイコンM１が選択されると、制御手段１は、記憶手段２に格納されている検査対象物モデル作成プログラムを読み出し、入力表示手段４の画面にウインドウW１を表示する（ステップS１）。検査対象物モデル作成プログラムは、任意の検査対象物モデルに対応するために、モデル形状を直線、曲線、面、曲面等の形状を用いて任意形状の検査対象物モデルを作成する機能を有する。また、データベース手段３への作成したモデル形状の保存およびデータベース手段３から作成したモデル形状の読み込みを行う機能を有する。アイコン「モデル作成」を選択すると、ウインドウW１には、検査対象物モデルの作成に必要なアイコン「直線」、「曲線」、「面」、「曲面」等が表示される。図５は検査対象物モデル作成の様子を示している。また、アイコン「データベース保存・読込」では、データベース手段３への作成したモデル形状の保存およびデータベース手段３から作成したモデル形状が読み込まれ、ウインドウW１に既に作成した検査対象物モデルを表示することができる。

次に、第２の手順として、図６および図７に示すように、「材料物性値の定義」アイコンM２を選択すると、制御手段１は、記憶手段２に格納されている材料物性値定義プログラムを読み出し、表示手段４の画面にウインドウW２およびウインドウW３を表示する（ステップＳ２）。この材料物性値定義プログラムは、検査体等の物性値を定義したり、定義した物性値を材料データとしてデータベース手段３に保存して再利用したり、また検査体モデル中の指定した領域の物性値を入力済みの物性値と関連付ける機能を有する。図６はアイコン「材料データベース登録」を選択指示したときのウインドウW２を表示しており、ここでは、材料として「組織Ａ」、「組織Ｂ」、「組織Ｃ」の中から「組織Ｃ」を選択指示し、さらに「剛性」および「密度」の各種数値を設定して材料データベースに登録する状態を示している。また、図７はアイコン「材料物性値の設定」を選択指示したときのウインドウW３を表示しており、ここで、所定の「領域１」に対する材料として、「組織Ａ」、「組織Ｂ」、「組織Ｃ」の中から「組織Ｃ」を選択指示した状態を示している。所定の「領域１」に対して材料として「組織Ｃ」が対応付けられると、データベース手段３から「組織Ｃ」に関する物性値が読み込まれ、その物性値が当該「領域１」に関連付けて表示される。

次に、第３の手順として、図８および図９に示すように、「解析条件の定義および解析実行」のアイコンM３を選択すると、制御手段１は記憶手段２に格納されている解析条件定義／解析実行プログラムを読み出し、表示手段４の画面にウインドウW４およびウインドウW５を表示する（ステップＳ３）。解析条件定義／解析実行プログラムは、入射波の定義、シミュレーション時間の定義、シミュレーション出力間隔の定義を行い、その後解析を実行する機能を有する。入射波については、ファイルに保存した任意波形またはそれを模擬する関数により生成された波形の何れかを選択することができる機能を有する。さらに、解析条件の定義後は、有限要素法メッシュ自動生成を行い、有限要素法解析を実行する機能を有する。有限要素法による解析実行の際には、有限要素法解析領域を、超音波パルスの周辺部に留め、パルスの移動に追従して移動させる。解析領域をパルスの移動に追従させる方法としては、（１）レイトレース法と組み合わせる方法、または（２）パルス中心を算出し自動追尾する方法とがある。これらの方法を採用することによって、剛性マトリクスやその他の数値解析マトリクスの大きさを大幅に小さくすることができ、計算量を大幅に削減し、解析処理を高速に効率良く計算することが可能となる。

図８は解析条件の定義を行う処理を示しており、ウインドウW４は操作処理メニューには入射波として、波形を模擬する関数によりアイコン「関数波形」またはデータベース手段３に格納されている波形を読み出すアイコン「任意波形」が表示される。図８においてはアイコン「関数波形」による入射波を利用する様子を示している。ウインドウW４にはアイコン「関数波形」の入射波に対する「入射パルス数」、「入射周波数」、「入射振幅値」の具体的数値の入力欄および「要素大きさの設定」、「シミュレーション時間」、「シミュレーション出力間隔」「初期解析領域の設定」および「解析手法の選択」の具体的数値の入力欄が表示される。ここでは「入射パルス数３」、「入射周波数２００００００Hｚ」、「入射振幅値１．０」、「要素大きさ１．０×１０^−３」、「シミュレーション時間５．０×１０^−５秒」、「シミュレーション出力間隔１．０×１０^−６秒」、「初期解析領域・右下（１００,５０）、右上（１０５,５５）」を入力した状態を示している。また解析手法としては、「パルス中心自動追尾法」を選択している。初期解析領域とは、有限要素法による解析を行う際に、有限要素法解析領域を、超音波パルスの周辺部に留め、パルスの移動に追従して移動させるが、その領域の大きさについて定義している。超音波検査シミュレーションのための解析条件の定義後、アイコン「メッシュ生成」を指示すると、制御手段１は記憶手段２から読み出した解析条件定義／解析実行プログラムに従って有限要素法によるメッシュ自動生成を実行する。メッシュ自動生成処理の際には、均一メッシュによる有限要素法で解析するために、解析ステップやクーラン条件の自動決定が行われ、検査対象モデルについて、定義された材料物性に従って、所定の大きさの均一なメッシュを当てはめる。

図９のウインドウW５に示す「有限要素法メッシュ自動生成」欄には、定義された初期解析領域に均一メッシュが当てはめられた検査対象物モデルが表示される。このようにしてメッシュが自動生成された検査対象物モデルをウインドウW５で確認し、表示されているアイコン「解析実行」を指示すると、次に制御手段１はその指示を受けて、図２に示された均一メッシュ有限要素法による解析処理のフローチャートに従って、計算を行い、解析処理を行う。なお、解析処理の詳細は後述する。

次に、第４の手順として、図１０および図１１に示すように、「結果表示」のアイコンM４を選択すると、制御手段１は、記憶手段２に格納されている結果表示プログラムを読み出し、表示手段４の画面にウインドウW６およびウインドウW７を表示する（ステップＳ４）。この結果表示プログラムは、解析処理の結果得られた検査波形の表示、超音波伝播図表示、作成した伝播図の画像ファイルへの出力、アニメーション表示等の機能を有する。なお、超音波伝播図出力ではコンタ（分布）レベルの調整を行う機能を有する。図１０は解析結果を表示する画面が示されており、ウインドウW６には、アイコン「波形表示」と「超音波伝播図」が選択可能に表示される。ウインドウW６はアイコン「波形表示」を選択指示したときの様子を示しており、設置したプローブ位置における検査波形が時間軸で表示される。また、図１１に示すように、アイコン「超音波伝播図」を選択指示すると、制御手段１はこの指示を受けて、ウインドウW７に示すように、作成された検査対象物モデルにおける伝播の様子が表示される。ここでは、図８のウインドウW４で定義された解析条件に従って表示されており、超音波伝播図は、２．０×１０^−６秒後における伝播状態を表している。この伝播状態をアニメーション表示するには、アイコン「次へ」を選択すると、出力間隔１．０×１０^−６秒毎に超音波伝播の様子が連続的に表示される。さらに、ウインドウW７には、この超音波伝播図に関する画像ファイルが、結果出力ファイル記号「ＯＵＴＰＵＴ２」としてデータベース手段３に保存されたことを表示している。また、この記号を入力すると、ウインドウW７に再びこの超音波伝播図を表示することができる。

以上のごとく、超音波伝播シミュレーションにおける一連の処理手順について、検査対象物モデルの作成、材料物性値の定義、解析条件の定義／解析実行、解析実行手段、および解析結果の表示を各ステップに分け、表示画面における具体的なウインドウ表示例を参照しながら説明した。次に、上記各ステップにおける処理手順の詳細を、図１２乃至図２２に示したフローチャートおよび概念図を参照して説明する。

図１２は、図３に示したステップＳ１の検査対象物モデル作成に関するフローチャートである。検査対象物モデルとしてモデル作成を選択する場合は、ステップＳ１１にて、検査対象物モデルを作成し、ステップＳ１３にて、検査対象物モデルについてモデリングが終了したかを判定し、終了していない場合は、ステップＳ１１からの処理を繰り返す。終了している場合は、ステップＳ１３にて、検査対象物モデルデータベースＤＢ１に保存する。検査対象物モデルとしてデータベース読込を選択する場合は、ステップＳ１２にて、データベース手段３の検査対象物モデルデータベースＤＢ１に保存されている検査対象物モデルデータを読み込み、ステップＳ１３にて、検査対象物モデルについてモデリングが終了したかを判定し、終了していない場合は、ステップＳ１１からの処理を繰り返し、読込モデルを修正する。終了している場合は、ステップＳ１４にて、検査対象物モデルデータベースＤＢ１に保存する。

次に、検査対象物モデルが作成されると、ステップＳ２に進み、材料物性値の定義に関する処理が行われる。図１３は、図６に示したステップＳ２の材料物性値の定義に関するフローチャートである。ステップＳ２１にて、材料物性値として、剛性および密度を定義する。次に、ステップＳ２２にて、剛性および密度のデータをデータベース手段３の材料物性値データベースＤＢ２に書き込む。ステップＳ２３では、材料物性値の定義の作成を終了するかを判定し、終了しない場合は、ステップＳ２１からの処理を繰り返す。

また、図１４は、図７に示したステップＳ２の材料物性値の定義における材料物性値の設定に関するフローチャートである。ステップＳ２７にて、まず検査対象物モデルにおけるモデル領域を選択する。次に、ステップＳ２８にて、データベース手段３の材料物性値データベースＤＢ２からデータを読み込んでモデル領域への物性値を当てはめる。ステップＳ２９にて、物性値の当てはめが完了したかを判定し、完了していない場合は、ステップＳ２７からの処理を繰り返し、完了している場合は材料物性値の設定の処理を終了する。

次に、材料物性値の設定が行われると、ステップＳ３に進み、解析条件の定義および解析実行に関する処理が行われる。図１５は、図８および図９に示したステップＳ３の解析条件の定義および解析実行に関するフローチャートである。入射波として、任意波形を選択する場合は、ステップＳ７１にて、データベース手段３の任意波形ファイルＤＢ６から任意波形を入力する。また、入射波として、関数波形を選択する場合は、ステップＳ７２にて、入射パルス数を設定し、ステップＳ７３にて、入射周波数を設定し、ステップＳ７４にて、入射振幅値を設定する。任意波形の入力後または関数波形の設定後は、ステップＳ７５にて、解析精度を決定するために要素大きさを設定する。なお要素大きさを小さくするとメッシュ分割は細かくなり解析精度は向上するが、大規模な解析になる。超音波検査解析を行う場合、メッシュ分割は最低でも波長λの１／１０以下にする必要がある。ステップＳ７６にて、解析時間を定義し、ステップＳ７７にて、伝播図出力間隔を定義し、Ｓ７８にて解析領域の設定を定義し、Ｓ７９にて解析手法を定義する。以上の処理で各種の解析条件の定義が終了すると、ステップＳ８０にて、探査対象物についてメッシュが自動生成され、次に、ステップＳ８１にて、有限要素法解析が実行される。

ここで、上記ステップＳ８１における有限要素法解析実行の詳細を図１６乃至図２１に示す概念図およびフローチャートを用いて説明する。

先にも述べたように、本件発明においては、解析実行の際に有限要素法による解析領域をパルスの先端の移動に追従して行う。ここで、解析領域をパルスの移動に追従させる処理としては、（１）レイトレース法を組み合わせる方法と（２）パルス中心を算出し自動追尾する方法とがある。即ち、上記ステップＳ７９の解析処理には２種類の処理が可能である。

初めに、レイトレース法を組み合わせて上記解析処理を実行する場合について、図１６および図１７を参照して説明する。図１６はレイトレース法とを組み合わせて、有限要素法解析領域を追尾される場合の概念図を示す図である。図１６（ａ）に示すように、レイトレース法は、弾性波動の伝播を光学的な光の伝播とみなして、光線の進行過程を追尾することにより、近似的に波動伝播解析を行う方法である。超音波パルスの中心の伝播経路を調べる場合は、１本の光線（レイトレース）の進行を追尾するだけでよいため、極めて高速に演算することが可能となる。これを事前に行うことにより、超音波パルス中心の位置（ｘ、ｙ、ｚ）と時間（ｔ）の関係を求めておく。次に図１６（ｂ）、（ｃ）に示すように、有限要素法解析を行う段階で、この位置（ｘ、ｙ、ｚ）、時間（ｔ）に基づいて、有限要素法解析領域を移動することにより、自動的に有限要素法解析領域をパルスに追尾させることができる。なお、レイトレース法による伝播経路の推定は１回だけ実行すればよい。

図１７は、図１６に示したレイトレース法を組み合わせて解析領域をパルスの移動に追従して解析処理する場合のフローチャートである。まず、ステップＳ８２において、先に設定した解析条件を読み込み、ステップＳ８３にて、レイトレース法によって超音波パルスの中心位置（ｘ、ｙ、ｚ）と時間（ｔ）を計算し、メモリＭに記憶する。次にステップＳ８４にて、メモリＭに記憶されている超音波パルスの中心位置（ｘ、ｙ、ｚ）と時間（ｔ）に基づいて、有限要素法解析領域を決定する。次にステップＳ８５にて、有限要素領域をメッシュに分割し、ステップＳ８６にて、有限要素法による解析処理を実行する。ステップＳ８７にて、解析終了時間に達したかを判定し、達していない場合は、ステップＳ８８にて超音波パルス中心位置の移動距離が指定ステップ間距離以上であるかを判定し、移動距離が指定ステップ間距離に達していない場合は、解析領域は移動させずにステップＳ８９にて、時間ステップを更新して、ステップＳ８６からの処理を繰り返す。移動距離が指定ステップ間距離以上であれば、次の解析領域を決定するためにステップＳ８４からの処理を繰り返す。シミュレーション終了時間に達すれば解析を終了する。

次に、パルス中心を算出し自動追尾して上記解析処理を実行する場合について、図１８および図１９を参照して説明する。図１８はパルス中心を算出し、有限要素法解析領域を自動追尾させる場合の概念図を示す図である。図１８（ａ）に示すように、有限要素法計算の各時間ステップにおいて、最大の音圧を与える位置を探索し、図１８（ｂ）に示すように、この位置の移動に応じて有限要素法解析領域を移動させることにより、自動追尾することができる。ただし、伝播経路上の不均一性や欠陥周りの複雑な反射によって局所的な最大音圧位置が発生して、自動追尾がうまく機能しなくなる可能性がある。そこで、平均化処理を行う適当な寸法の探索窓を有限要素法解析領域内で走査する処理を行い、ノイズに強い最大音圧位置を決定するこができる。なお、ビームが途中で分岐する場合があるが、その場合は、パルス中心の探索過程において、複数の最大値（極値）が検出されるはずであるが、このそれぞれに対して、有限要素法解析領域を追尾するようにすることにより、超音波ビームの分岐を取り扱うことができる。当然のことながら有限要素法計算領域を増やせば、計算処理速度は低下するが、現実の検査問題では、強度の強い２つ程度のビームを追尾すれば十分と思われる。

図１９は、図１８に示したパルス中心を算出し自動追尾して解析処理した場合のフローチャートである。まず、ステップ９１において、先に設定した解析条件を読み込み、次にステップＳ９２において、有限要素法解析領域を決定する。ステップＳ９３にて、決定された有限要素法解析領域をメッシュに分割し、ステップＳ９４にて、その有限要素法解析領域において解析処理を実行する。次にステップＳ９５において有限要素法解析領域内での平均化処理により最大音圧位置を決定し、その位置をメモリＭに記憶する。次にステップＳ９６にて、解析終了時間に達したかを判定し、達していない場合は、ステップＳ９７にて超音波パルス中心位置の移動距離が指定ステップ間距離以上であるかを判定し、移動距離が指定ステップ間距離に達していない場合は、解析領域は移動させずにステップＳ９８にて、時間ステップを更新して、ステップＳ９４からの処理を繰り返す。移動距離が指定ステップ間距離以上であれば、次の解析領域を決定するためにＳ９２からの処理を繰り返す。以下先と同様の処理を繰り返し、ステップＳ９６にて、解析終了時間に達したと判定された場合は、解析処理を終了する。

ここで、図１７に示したフローチャートにおけるステップＳ８４および図１９に示したフローチャートのステップＳ９２における有限要素法解析領域の決定における詳細な説明を図２０の概念図および図２１のフローチャートを用いて説明する。図２０（ａ）は有限要素法解析領域が領域ベクトル分、旧領域から新領域に移動した状態を示しており、図２０（ｂ）は領域移行の手順を示している。

図２１は、図２０（ｂ）に示した領域移行の処理手順を示すフローチャートである。まず、ステップＳ１０１において、音波パルス中心位置の移動距離が指定されたステップ間隔以上であるかを判定する。ステップ間隔以上でないと判断さえたときは処理を終了する。ステップ間隔以上であると判定されたときは、ステップＳ１０２にて、領域移動ベクトルを決定する。次にステップＳ１０３にて、旧有限要素法解析領域での変位および速度をメモリＭにストックする。次にステップＳ１０４にて新有限要素法解析領域をメッシュに分割し、ステップＳ１０５にて、メッシュに分割された新有限要素法解析領域においてメモリＭから読み出された旧有限要素法解析領域における変位および速度を先に決定した領域移動ベクトルに従い、平行移動させる。これによって新たに有限要素法解析領域が決定され、新有限要素法解析領域における解析処理が可能となる。

次に解析条件の定義／解析実行が行われると、ステップＳ４に進み、解析結果を表示させる処理が行われる。図２２は、図１０および図１１に示したステップＳ４の解析結果に関するフローチャートである。解析結果の表示として、波形表示、超音波伝播図のいずれかを表示するかを選択する。ステップＳ１１１にて、表示時間および振幅スケールを調整し、ステップＳ１１２にて、図１０に示すような波形を表示して、処理を終了する。また、超音波伝播図を表示する場合は、ステップＳ１１３にて、コンタ（分布）スケールおよび表示する色数を調整する。次に、ステップＳ１１４にて、アニメーション表示するかを判定し、アニメーション表示する場合は、ステップＳ１１５にて、図１１に示すようにアニメーション表示される。ステップＳ１１６にて、アニメーション表示されたデータをアニメーションファイルに出力するかを判定し、出力する場合は、ステップＳ１１７にてアニメーションファイルに出力し、処理を終了する。また、ステップＳ１１４にて、アニメーション表示しない場合は、ステップＳ１１８にて、出力する伝播図を選択し、ステップＳ１１９では、選択された伝播図を表示する。ステップＳ１２０では、表示された伝播図を画像ファイルに出力するかを判定し、出力する場合は、ステップＳ１２１にて、画像ファイルに出力して処理を終了する。

本発明に係る超音波検査シミュレーションシステムのシステムの概略を示すブロック図である。本発明に係る均一メッシュによる有限要素法を用いた解析処理のフローチャートである。本発明に係る超音波検査シミュレーションシステムの操作手順を示す図である。超音波検査シミュレーションシステムのタイトル、メニュー欄M、および操作処理用ウインドウWが表示されるＧＵＩ操作画面を示す図である。検査対象物モデル作成に係るＧＵＩ操作画面を示す図である。材料物性値の定義に係るＧＵＩ操作画面を示す図である。材料物性値の定義に係るＧＵＩ操作画面を示す図である。解析条件の定義および解析実行に係るＧＵＩ操作画面を示す図である。解析条件の定義および解析実行に係るＧＵＩ操作画面を示す図である。解析結果表示に係るＧＵＩ操作画面を示す図である。解析結果表示に係るＧＵＩ操作画面を示す図である。検査対象物モデルの作成の手順を示すフローチャートである。材料物性値の定義の手順を示すフローチャートである。材料物性値の定義における材料物性値の設定の手順を示すフローチャートである。解析条件の定義および解析実行の手順を示すフローチャートである。レイトレース法を組み合わせて有限要素法解析領域を追尾する様子を説明するための概念図である。レイトレース法を組み合わせて解析領域をパルスの移動に追従して解析処理する手順を示すフローチャートである。パルス中心を算出して有限要素法解析領域を自動追尾させる様子を説明するための概念図である。パルス中心を算出して自動追尾することによって解析処理する手順を示すフローチャートである。解析処理の際に、有限要素法解析領域を決定する様子を説明するための概念図である。有限要素法解析領域を決定する手順と示すフローチャートである。解析結果の表示の手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１制御手段
２記憶手段
３データベース手段
４表示手段
５操作手段
６出力手段
M１〜M４操作メニュー
W1〜W７ウインドウ

Claims

有限要素法により検査対象物モデルの超音波検査シミュレーションを行う超音波検査シミュレーションシステムにおいて、超音波検査の対象となる検査対象物モデルを作成する検査対象物モデル作成手段と、前記検査対象物モデルの領域に対して材料物性値を定義する材料物性値定義手段と、前記検査対象物モデルに入射する超音波入射波の定義、シミュレーション時間の定義、シミュレーション結果出力間隔の定義を行い、有限要素法による超音波検査シミュレーションを実行する解析条件定義手段および解析実行手段と、前記検査対象物モデルと前記解析実行手段による解析結果を表示する表示手段とを有し、
前記解析実行手段は、レイトレース法によって超音波パルスの中心位置と時間を計算し記憶する手段と、前記記憶された中心位置と時間を読み出して有限要素法解析領域を決定する手段と、前記決定された有限要素法解析領域をメッシュに分割する手段と、前記メッシュに分割された有限要素法解析領域について有限要素法による解析を実行する手段とからなることを特徴とする超音波検査シミュレーションシステム。
有限要素法により検査対象物モデルの超音波検査シミュレーションを行う超音波検査シミュレーションシステムにおいて、超音波検査の対象となる検査対象物モデルを作成する検査対象物モデル作成手段と、前記検査対象物モデルの領域に対して材料物性値を定義する材料物性値定義手段と、前記検査対象物モデルに入射する超音波入射波の定義、シミュレーション時間の定義、シミュレーション結果出力間隔の定義を行い、有限要素法による超音波検査シミュレーションを実行する解析条件定義手段および解析実行手段と、前記検査対象物モデルと前記解析実行手段による解析結果を表示する表示手段とを有し、
前記解析実行手段は、有限要素法解析領域内での平均化処理により最大音圧を決定し記憶する手段と、前記記憶された最大音圧位置を読み出して有限要素法解析領域を決定する手段と、前記決定された有限要素法解析領域をメッシュに分割する手段と、前記メッシュに分割された有限要素法解析領域について有限要素法による解析を実行する手段とからなることを特徴とする超音波検査シミュレーションシステム。
前記表示手段は、ＧＵＩ操作画面を有し、該操作画面の表示に従って、少なくとも前記検査対象物モデルの作成、前記材料物性値の定義、前記解析条件の定義、解析実行指示、解析結果表示を行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波検査シミュレーションシステム。
前記解析条件定義手段は、入射波の定義の際に、任意波形データファイルを読み込み、入射波形を定義する手段と、模擬する関数より関数波形を定義する手段とを有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１つの請求項に記載の超音波検査シミュレーションシステム。
有限要素法により検査対象物モデルの超音波シミュレーションを行う際、解析条件を読み込むステップと、有限要素法解析領域を決定するステップを有し、更に有限要素法解析領域内で有限要素法解析を実行するステップと、超音波パルスの中心位置を決定するステップと、有限要素法解析が進む毎に超音波パルスの中心位置の移動距離を算出し、算出した移動距離が、あらかじめ定めた一定距離以上であるかを判定するステップと、あらかじめ定めた一定距離に到達すると有限要素法解析領域を超音波パルスの中心位置の移動分、移動させるステップと、新たな有限要素法解析領域で有限要素法解析を実行するステップを有し、上記のステップを繰り返すことにより有限要素法解析領域を伝播する超音波パルスの中心位置周辺部に留めることを特徴とする超音波検査シミュレーション方法。
前記超音波パルスの中心位置をレイトレース法によって求めることを特徴とする請求項５に記載の超音波検査シミュレーション方法。
前記超音波パルスの中心位置を有限要素法解析領域内での平均化処理により最大音圧を決定することにより求めることを特徴とする請求項５に記載の超音波検査シミュレーション方法。
請求項５ないし請求項７のいずれか１つの請求項に記載の超音波検査シミュレーション方法を実現するプログラムを記録したプログラム記録媒体。