JP6117349B2 - 簡易計算モデル生成方法及び構成部分の消費寿命予測方法 - Google Patents

Description

本発明は、構成部分の消費寿命を計算する分野に関する。具体的には、負荷セッションからの負荷データ及び数値計算モデルによって計算された実際の応力、歪み、温度及び消費寿命に基づいて、簡易計算モデルを生成する方法に関する。また、本発明は、簡易計算モデルと特にこの生成された簡易計算モデルを使用する、構成部分の消費寿命予測に関する。さらには、本発明は、この簡略計算モデルを生成し、構成部分の消費寿命を予測する方法システム及びコンピュータプログラムに関する。

昨今、機械装置、特に可動部のある機械装置の個々の構成部分について、消費寿命予測を改善する方法及びシステムの開発への関心が顕著である。そのような方法の精度を改善することで、安全性の限度設定を低くでき、構成部分の不要な交換を避けることができる。隊全体（軍の航空隊等）に適用した場合には、稼動寿命を延ばすことができると共に大幅な費用削減ができる。さらに、従来の方法では予測が甘くなり過ぎる通常でない場合に、緻密な方法ならば構成部分の故障を避けることができ、稼働中における、或いはさらに重要なことであるが、事故における、不測の停止を避けることができる。

消費寿命予測の改善が役立つ、関心を引く適用例としては、航空機、ガス／蒸気タービン、トラック、積み込み機、原子力発電所及び風力タービンがある。

機械装置の構成部分の消費寿命を予測する従来の方法は、使用／運転時間、距離の一方又は両方を測定すること、或いは所定の負荷セッション又は過剰でない負荷セッションの回数を数えることである。負荷セッションとは、当該機械装置が稼働している時間のことである。例えば、航空機の場合、負荷セッションは、ロータのスピードを所定量変化させたＡ地点からＢ地点までの飛行と定義できる。それで、構成部分の推定消費寿命の予測は、有限要素法（ＦＥＭ）等の数値計算法を用いて算出できる。この有限要素法は、例えば熱負荷と機械的負荷等の負荷セッション中に、様々な負荷を受けた構成部分の応力と歪みを計算するものである。有限要素法は、２次元モデル又は３次元モデル等でメッシュパターンを使用して、応力と歪みを計算するものである。ここでは、このメッシュパターンは節点と要素で構成する。より密なメッシュ、すなわち、節点数と要素数が増えることになる面積当たりでより細かい要素を活用することで、結果の精度は向上する。

有限要素法により、負荷セッションを受けた構成部分の応力と歪みを求める略正確な方法が得られるが、この方法は、所要ＣＰＵ時間の面で多大の時間がかかる。特に、この所要ＣＰＵ時間は、複雑な形状、他の構成部分との諸接触表面を有する構成部分、或いは信頼できる結果を得るためにより細かいメッシュを設ける必要がある場合は大幅に増える。

したがって、時間がかからないで、信頼できる結果が得られる計算方法の改善が求められる。

上記の、従来技術の欠点を考慮して、本発明は、有限要素モデル（ＦＥモデル）に関して時間がかからず信頼できる結果が得られる、構成部分の消費寿命を予測するのに使用する簡易計算モデルを生成する方法を提供することを目的とする。また、本発明は、構成部分の消費寿命を予測する方法を提供することを目的とする。

本発明は、負荷一式を受けた構成部分の応力、歪み、温度及び予測消費寿命等の計算は、複雑で時間を要するＦＥモデルを使用するのではなく、簡易計算モデルによって達成可能であるという考えに基づいている。負荷入力データセットによる負荷セッションを受けた数値方法モデルからの既知の結果を利用して簡略計算モデルを生成することで、この簡略計算モデルは、構成部分の受けた応力、歪み、温度を計算するために他の負荷入力データセットに対して使用可能である。これにより、構成部分の応力、歪み、温度および予測消費寿命等に関して信頼できる結果を得ることが可能な、時間のかからない計算モデルが得られる。

本発明の、第一の態様によれば、稼働時に負荷を受ける構成部分の消費寿命を予測するのに使用する簡易計算モデルを生成する方法が得られ、この方法は、稼働時に、第一の負荷セッションによる第一の負荷入力データセットを受けるステップと、数値計算モデルによって、前記構成部分の重要な部位の応力、歪み、温度の少なくとも一つを計算するステップと、数値計算された前記応力、歪み、温度の少なくとも一つに基づいて前記構成部分の消費寿命を予測するステップと、前記簡易計算モデルに複数の状態方程式を割り当てること、及び前記第一の負荷入力データセットと前記数値計算された予測消費寿命との前記関係に基づき、前記複数の状態方程式のパラメータを計算することによって、負荷入力データと予測消費寿命との関係を定める前記簡易計算モデルを生成するステップとを備える。

「数値計算」という表現は、以下及び明細書全体の記述において、望みどおりの結果を得るために、陽的又は陰的反復計算を用いる計算法と解釈されるべきものである。この数値方法は、２次元又は３次元ＣＡＤモデル等に設けられるメッシュまたはグリッドを使用し、このメッシュ／グリッドで設けられる各節点及び／又は要素について応力、歪み、温度等を計算できる。数値計算方法は、例えば有限要素法（ＦＥＭ）を使用して、以降に述べる応力及び／又は歪みの計算ができる。

さらに、「構成部分の重要部位」は、稼働時の負荷により、影響を受ける可能性の有る、或いは比較的大きく影響を受けていると他の手段により確認された、エンジン等の構成部分の位置を意味すると解釈すべきである。もし、構成部分が、当該エンジンの高温部品の近傍にあるか、或いは応力集中が起こり得る比較的小さな半径を有する曲線形状を備える等であれば、構成部分の位置は、例えば、重要部位とみなすことができる。したがって、重要部位の種類リストは、広範囲なものとなり、関心のある特定部位は、関心のある特定構成部分について評価しなければならない。構成部分の重要部位を選定する方法の詳しい内容は、援用する「機械装置の消費寿命の確実な予測」と題する同時係属中の出願で開示されている。したがって、構成部分の重要部位は、エンジン構成部分全体の予測消費寿命を算出する際の限定要因とみなすことができる。

さらに、当該簡易計算モデルは、以下では、既知入力と既知出力、すなわち、上記の数値計算モデルから得た入力及び出力を使用して構築される状態方程式一式で構成する計算モデルと解釈すべきものである。したがって当該簡易計算モデルは、前記入力すなわち負荷と、出力すなわち応力、歪み、温度及び／又は予測消費寿命との関係が、数値計算モデルの入力と出力のそれぞれに対応するような、状態方程式によって計算される複数のパラメータを備える。詳細には、これらのパラメータは、その予測消費寿命が、数値計算された構成部分によって計算された予測消費寿命にある程度類似するように、簡易計算モデルの入力と出力の関係を直線的に描写するようになっている。

さらに、前述の負荷入力データセットは、例えば自動車、トラック、航空機、船舶等の機械装置のエンジンからデータを取得することで得られる。この場合の機械装置は、Ａ地点からＢ地点までの走行・飛行・移動等の負荷セッションを受けたことで、移動状態、天候状況、走行特性等の多数のパラメータによって、様々な負荷を受けているものである。したがって、負荷入力データセットは、複数の負荷セッションから得ることができる。すなわち、１回のみの負荷セッションによるデータ取得に限定されない。とはいえ、負荷入力データセットは、ある機械が特定の走行シナリオで、ある程度ある種の負荷を常に受けているという経験によっても得られる。

さらに、上記の「第一の」という表現は、本発明範囲を限定することを意図するものではない。「第一の負荷入力データセット」と「第一の負荷セッション」は、連続した順番での最初のものに限定しないが、例えば構造体の第三の負荷セッション等の、負荷入力データセットになることができる。したがって、「第一の」とは、発明の方法ステップを、より簡単に説明するために単に使用しているものである。これは、後の本発明の実施形態の記述の際に、より明確になる。

簡易計算モデルは、構造体の様々な構造部分について得られ、この簡易計算モデルでは、ＦＥモデル等を用いた従来技術の解決法と比較して、スピードが増えた時に様々な負荷を受けた構造部分の、例えば応力、歪み及び／又は温度結果を得ることが可能であることが、少なくとも本発明の有利な点である。簡易計算モデルは、入力データ、及び構成部分についての正確な結果を計算し提示すると想定している数値計算モデルからの各結果を使用することで生成するので、略頑強で信頼できるモデルが得られる。

この簡易計算モデルは、応力結果、歪み結果及び／又は温度結果を獲得することに関心のある、多数の重要な位置を有する複雑な構成部分に用いると特に有利である。このような構造部分は、正確で信頼できる結果を得るために、ＦＥ解析等において、多数の節点及び要素が必要になり、非常に時間を要する解析になるからである。本発明による簡易計算モデルを生成することによれば、ＦＥ解析では、簡易計算モデルが信頼できると考えられ、かつ十分に検証されるまで、特定回数を実行するだけでよい。それで、新規の負荷入力データセットを、構成部分の応力、歪み及び／又は温度を計算する簡易計算モデルに与えることができるため、機械的及び熱解析を行う時間を削減できる。

その上、本方法は、稼働時に、第二の負荷セッションによる第二の負荷入力データセットを受けるステップと、数値計算モデルによって構成部分の重要な部位に対する応力、歪み、温度の少なくとも一つを計算するステップと、数値計算された応力、歪み、温度の少なくとも一つに基づいて、構成部分の消費寿命を予測するステップと、簡易計算モデルによって、構成部分の重要な部位の応力、歪み、温度の少なくとも一つを計算するステップと、簡易計算モデルによって計算された応力、歪み、温度の少なくとも一つに基づいて、構成部分の消費寿命を予測するステップと、数値計算された予測消費寿命と簡易計算モデルによって予想された予測消費寿命との差異が所定の消費寿命限度内であれば、簡易計算モデルは正確であることを検証するステップとを、さらに備えることができる。

これにより、数値計算モデルによって計算された予測消費寿命と比較して、簡易計算モデルによって計算された予測消費寿命が所定の限度内にあるよう、簡易計算モデルの検証を行う。本方法は、所望の結果精度によっては、差異が満足の行く限度範囲内になるまで複数回実施する必要がある。そのため、所定の消費寿命は、適用するものごとに異なることがある。例えば、トラックの構成部分の検証を行う場合は、航空機等の構成部分と比較して、予測消費寿命での許容差異は大きくすることができる。

予測消費寿命が、満足の行く所定限度範囲よりもさらに異なれば、簡易計算モデルのパラメータは、パラメータを再計算及び反復することで調整し、次いで二つのモデルの予測消費寿命を比較することができる。さらに、簡易計算モデルが正確と考えられ、このモデルに対して引き続き解析が行われる場合は、このモデルの正確さをさらに検証するために、ある程度定期的にモデルの無作為の検証を行うことができる。これは、以下でさらに説明する。

さらに、表現「第一の」に関する上記と同じ理由により、表現「第二の」は、本発明の範囲を限定するように解釈すべきでない。また、第二の入力データセットは、必ずしも、第一の負荷入力データセットに続く負荷入力データセットで有る必要はない。したがって、むしろ第一の負荷入力データとは異なる負荷入力データと解釈すべきである。

本発明の実施形態によれば、簡易計算モデルによって計算された応力、歪み、温度の少なくとも一つに基づいて、構成部分の消費寿命を予測するステップは、数値計算された応力及び／又は歪みと簡易計算モデルによって計算された応力及び／又は歪みを比較するステップと、応力及び／又は歪みでの差異が所定の応力制限及び／又は歪み制限内であれば、簡易計算モデルによって計算された応力、歪み、温度の少なくとも一つに基づいて、構成部分の消費寿命を予測するステップとを先に実施できる。

これにより、簡易計算モデルが正確か否かをまず示すために、数値計算によって計算された応力及び／又は歪みと簡易計算モデルによって計算された応力及び／又は歪みを比較することができる。したがって、応力制限及び／又は歪み制限は、簡易計算モデルが消費寿命について信頼できる結果を出す可能性についての判断の手がかりをもたらすことができる。簡易計算モデルを検証するための、さらなるパラメータを提供することが、優位な点である。さらに、所定の応力制限及び／又は歪み制限は、所定の消費寿命制限に関する上記の所望の結果精度に従って変更することができる。

さらに、簡易計算モデルによって計算された応力、歪み、温度の少なくとも一つに基づいて、構成部分の消費寿命を予測するステップは、数値計算された温度と簡易計算モデルによって計算された温度とを比較するステップと、温度での差異が所定の温度限度内であれば、簡易計算モデルによって計算された応力、歪み、温度の少なくとも一つに基づいて、構成部分の消費寿命を予測するステップとを先に実施できる。

有利なことに、簡易計算モデルの正確さを示すために、数値モデルと簡易計算モデルとをさらに比較することができる。応力及び／又は歪みの比較を組合せて、温度比較を行うこともでき、或いは別々の比較を単独で行うこともできる。上記と同様に、所定の温度限度は、簡易計算モデルの所望する精度によって変わる。

さらに、簡易計算モデルは、簡易計算モデルが所定の消費寿命限度内であるという検証がなされるまで、状態方程式のパラメータを反復計算することで生成することができる。

本発明の実施の形態によれば、状態方程式は、

で構成される。
ただし、ｕ_ｉ（ｔ）は、稼動時の負荷セッションからの時間依存の入力、
ｙ_ｉ（ｔ）は、時間依存の応力、歪み、温度、
ｎａとｎｂは、それぞれａ_ｉパラメータとｂ_ｉパラメータの数、
ｎｋは、現在時刻ｔより前のサンプル時間の数、
である。

したがって、説明した方程式から、パラメータによって、入力すなわち負荷と出力すなわち応力、歪み、温度の少なくとも一つとの関係を得ることができる。

さらに、状態方程式は、予測消費寿命と、応力、歪み、温度とを関連づける方程式で構成することができる。

これにより、簡易計算モデルのパラメータが計算された場合、応力、歪み、温度、すなわち上記方程式からの出力は、予測消費寿命と関連づけられる。この関連は、後で説明するウェーラー図等によって認識できる。

本発明の実施形態によれば、簡易計算モデルは、複数のパラメータを有する線形ＡＲＸモデルとすることができ、このパラメータは、負荷入力データと、当該応力、歪み、温度及び消費寿命の少なくとも一つによって予測できるものである。

線形ＡＲＸモデルは、よく知られており、パラメータモデルが実際の物理的二次元又は三次元モデルに対応するように反復計算できる複数のパラメータで構成される。これらのパラメータは、パラメータ計算モデルを生成する上記の方法ステップによって計算される。したがって、この線形ＡＲＸモデルは、所与の入力及び所与の出力に基づき、パラメータを計算する状態方程式である。けれども、本発明は、線形ＡＲＸを使用する簡易計算モデルに限定すべきでない。他に、いわゆる「ブラックボックス」アルゴリズムも考えられ、これは、簡易計算モデルを実現する方法パラメータを生成するために周知の入力及び出力を使用するものである。

その上、簡易計算モデルは、温度計算モジュールと応力／歪み計算モジュールで構成できる。これにより、構成部分の温度及び応力／歪みを計算する別々のモジュールが得られる。したがって、簡易計算モデルを扱う場合は、温度計算モジュールと応力／歪み計算モジュールについて別々にパラメータを生成することが可能であるため、温度と応力／歪みの両方を計算する単一のモジュールと比較して、各々のモジュールについてパラメータの数を少なくすることが可能である。

さらに、計算された応力、歪み、温度は、時間依存性成分とすることができる。応力、歪み、温度を時間関数として計算することにより、構成部分の負荷履歴は考慮されているので、負荷セッション時、構成部分の実際のシナリオに対応する負荷を計算する。したがって、この負荷セッションは複数の時間依存性負荷で構成される。

一実施形態によれば、負荷セッションは、航空機の任務飛行で記録された負荷で構成することができる。

これにより、航空機が任務飛行を行う場合は、この航空機のエンジンは、コンピュータ等とつながっており、特定の飛行に関する情報及び、それゆえ、任務飛行時にエンジンに作用する時間依存性負荷に関する情報が入る。したがって、天候、パイロットの挙動等の特定任務中の様々な飛行状況に従い、この特定任務中の構成部分の予測消費寿命の計算を可能とするために、これらの状況によってエンジンに影響する負荷は、エンジンから提供される。

さらに、数値計算モデルは、有限要素計算を用いたメッシュによる数値モデルとすることができる。上記のとおり、有限要素計算では、負荷セッションを受ける構成部分の応力、歪み、温度について略正確で信頼できる結果を得ることができる。また、上記のとおり、より密なメッシュ、すなわち部位当たり、より多くの節点及び要素を使用して、結果精度を向上させることができる。したがって、簡易計算モデルを生成、検証及び妥当性を立証するために有限要素計算を使用することで、構成部分の本当の挙動に対応した略正確な応力、歪み、温度に対するモデルが生成される。

さらに、負荷入力データは、熱負荷及び機械的負荷の少なくとも一つで構成できる。この種の負荷は、例えば、上記の例で示した航空機の飛行セッション時に通常、構成部分に影響を与えている。この機械的負荷は、速度負荷、引力負荷、慣性負荷、圧力負荷等で構成することができる。一方、熱負荷は、負荷セッション時の温度差、熱流束、摩擦、熱転写等で構成することができる。上記のとおり、これらの負荷は、時間の関数として与えることができる。すなわち、機械的負荷及び熱負荷の負荷履歴を負荷入力データに包含できる。

本発明の第二の態様によれば、稼動時に負荷を受ける構成部分の消費寿命を予測する方法が得られ、稼動時に第一の負荷セッションによる第一の負荷入力データセットを受けるステップと、状態方程式で構成される簡易計算モデルによって、第一の負荷入力データセットに基づいて、構成部分の重要部位について応力、歪み、温度の少なくとも一つを計算するステップ及び、応力、歪み、温度の少なくとも一つに基づき、第一の負荷セッションに対する、構成部分の消費寿命を予測するステップを備える。

これにより、第一の負荷セッション、例えば、航空機のＡ地点からＢ地点までの飛行に対して、構成部分の消費寿命を比較的迅速に予測できる。上記の従来技術による解決法によらず、簡易計算モデルは、有限要素解析モデル等と比較して時間のかからない方法で、負荷セッション時の構成部分の応力、歪み、温度を示す。それにより、負荷セッションの消費寿命を予測できる。詳細には、構成部分の全寿命に対する消費寿命の比を予測できる。

さらに、この簡易計算モデルは、上記の本発明の第一の態様により生成できる。

さらに、本方法は、稼動時の第二の負荷セッションによる第二の負荷入力データセットを受けるステップと、簡易計算モデルによって、構成部分の重要部位の応力、歪み、温度の少なくとも一つを計算するステップと、計算された応力、歪み、温度に基づき、第二の負荷セッションの、構成部分の消費寿命を予測するステップ及び、構成部分の消費寿命を累積するために、第二の負荷セッションによる予測消費寿命を第一の負荷セッションによる予測消費寿命に加えるステップとをさらに備える。

これにより、構成部分が、他の負荷セッション、例えば、Ｂ地点からＣ地点までの飛行、をした場合、Ｂ地点からＣ地点までの飛行した時の構成部分の予測消費寿命は、Ａ地点からＢ地点までの飛行をした時の構成部分の予測消費寿命に加えることができる。したがって、特定の構成部分の余寿命を連続的に決定するために、構成部分の予測消費寿命の累積が可能である。したがって、「第一の負荷セッション」及び「第二の負荷セッション」の用語については、上記したとおり、本発明の範囲を二つのみの負荷セッションに限定するものではない。当然ながら、本方法は、新規の飛行等の新規の負荷セッションに対し、構成部分の取り替えが必要になるまで、連続的に予測消費寿命を計算し、加算する。その後は、当該構成部分が耐用年数に達した場合には、新しい構成部分と取り替えることができ、本方法のステップを再スタートできる。

さらに、消費寿命は、温度負荷と組み合わせて、構造体が受ける主要な応力及び／又は歪みを計算することで予測できる。例えば、ウェーラー図等を使用して、主要な応力及び／又は歪みの計算を行い、構成部分で活用されている消費寿命量を決めることができる。上記のとおり、第一の負荷セッションの予測消費寿命と第二の負荷セッションの予測消費寿命とを加算する場合は、同じ主方向を有する主要な応力を比較して加算することが重要である。言い換えれば、それゆえに、主要な応力／歪みの構成部分については、他の負荷セッションに対し、各主要な応力／歪み方向の方向に対応するように検討すべきである。さらに、本方法では、亀裂は消費寿命を決定する際の重要な一つの様相であるので、構成部分の亀裂の始まりを判断し検出するのに使用できる。

一実施の形態によれば、本方法は、さらに、稼動時の第三の負荷セッションによる第三の負荷入力データセットを受けるステップと、数値計算モデルと簡易計算モデルによって、構成部分の重要部位の応力、歪み、温度の少なくとも一つを計算するステップと、数値計算モデル及び簡易計算モデルによって計算された応力、歪み、温度の少なくとも一つに基づいて、第三の負荷セッションの構成部分の消費寿命を予測するステップ及び、数値予測された消費寿命と、簡易計算モデルによって予想された予測消費寿命との差異が、所定の消費寿命限度内であれば、簡易計算モデルが正確であることを検証するステップとを先に実施できる。

信頼できるモデルが得られるのが優位な点である。本モデルの検証は、通常ベースで実行できる。

この第二の態様に関する他の様相、特徴及び優位点は、概ね、本発明の第一の態様に関する上記の内容と同様である。

本発明の第三の態様によれば、簡易計算モデルを生成するシステムが得られる。本システムは、稼動時に機械装置が受ける負荷セッションの情報を構成する負荷セッションモジュールと、負荷セッション情報を熱負荷及び機械的負荷に変換するための負荷生成手段で構成される負荷入力データモジュールと、温度計算モジュール及び応力／歪み計算モジュールで構成する数値計算モデルと、温度計算モジュール及び応力／歪み計算モジュールで構成する簡易計算モジュール及び、応力、歪み、温度の少なくとも一つに基づいて消費寿命を予測するための手段を構成する消費寿命予測モジュールとを備える。前記システムは、稼動時に、第一の負荷セッションによる第一の負荷入力データセットを受ける、数値計算モデルによって、構成部分の重要な部位の応力、歪み、温度の少なくとも一つを計算する、消費寿命予測モジュールによって、数値計算された応力、歪み、温度の少なくとも一つに基づいて、構成部分の消費寿命を予測する、及び簡易計算モデルに複数の状態方程式を対応付け、第一の負荷入力データセットと数値計算された予測消費寿命の少なくとも一つとの関係に基づき、複数の状態方程式のパラメータを計算することによって、負荷入力データと構成部分の予測消費寿命との関係を定める簡易計算モデルを生成するように構成される。

本発明の第四の態様によれば、稼働中に負荷を受ける構成部分の消費寿命を予測するシステムが得られる。このシステムは、稼動時に機械装置が受ける負荷セッションの情報を構成する負荷セッションモジュールと、負荷セッション情報を熱負荷及び機械的負荷に変換する負荷生成手段で構成される負荷入力データモジュールと、温度計算モジュール及び応力／歪み計算モジュールで構成する簡易計算モジュール及び、応力、歪み、温度の少なくとも一つに基づいて消費寿命を予測するための手段を構成する消費寿命予測モジュールとを備える。そして前記システムは、稼動時に、第一の負荷セッションによる第一の負荷入力データセットを受ける、前記第一の負荷入力データに基づき、かつ状態方程式で構成される前記簡易計算モデルによって、構成部分の重要な部位の応力、歪み、温度の少なくとも一つを計算する、及び計算された前記応力、歪み、温度の少なくとも一つに基づいて、前記第一の負荷セッションの構成部分の消費寿命を予測するように構成される。

一実施形態によれば、簡易計算モデルは、本発明の第三の態様に関する上記により生成される。

本発明の第五の態様によれば、稼動時に負荷を受ける構成部分の簡易計算モデルを処理装置に生成させるためのコンピュータプログラムを格納したコンピュータ読み取り媒体を備えるコンピュータプログラムが得られ、このコンピュータプログラムは、本発明の第一の態様に関する上記により、本方法を実行するコードを備える。

本発明の第六の態様によれば、稼動時に負荷を受ける構成部分の消費寿命を処理装置に予測させるためのコンピュータプログラムを格納したコンピュータ読み取り媒体を備えるコンピュータプログラムが得られ、このコンピュータプログラムは、本発明の第二の態様に関する上記により、本方法を実行するコードを備える。

好ましくは、処理装置は、サーバ等で提供されるのがよい。また、コンピュータ読み取り媒体は、着脱可能な不揮発性ランダムアクセスメモリー、ハードディスク、フロッピー（登録商標）ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ，ＤＶＤ−ＲＯＭ，ＵＳＢメモリー、ＳＤメモリーカード、周知の類似のコンピュータ読み取り媒体のうちのいずれかであればよい。

本発明の第三、第四、第五及び第六の態様の特徴は、第一及び第二に関する上記のものと同様な優位点を呈する。

本発明のさらなる特徴及び優位点は、付記の請求項および以下の説明を検討すると明らかになる。本発明の異なる特徴を組み合わせ、本発明の範囲から逸脱しないで、以下に説明する以外の実施の形態を創造することができることを当業者は理解するものである。

上記は、本発明の追加の目的、特徴及び優位点とともに、本発明の例示としての実施形態についての以下の例証的で非限定の詳細な説明により、より良く理解されるものである。
本発明の一実施形態による、簡易計算モデルを生成する方法を模式図的に説明するフローチャートである。 簡易計算モデルを生成する方法フローチャートの実施形態を模式図的に説明するブロック図である。 構成部分の消費寿命を予測する方法を模式図的に説明するフローチャートである。

次に、本発明の例示の実施形態を示す添付図を参照して、本発明を以下に詳細に説明する。但し、本発明は、多くの異なる形式で具体的に示すことができ、ここに記載の実施形態に限定するものではない。本実施の形態は、むしろ完全性を期するために提示されている。説明全体で、同様の参照符号は同様の構成要素を示す。

次に、図面、特に図１及び２を参照する。これらは、簡易計算モデルを生成する方法の実施形態のフローチャート及びこの簡易計算モデルを生成する構成部分を構成するブロック図を模式的に示す。

図２に示す簡易計算モデル２１２を生成する場合、負荷入力データ２０４を生成するために、負荷セッション２０２から負荷入力を受ける（Ｓ１０１）。負荷セッション２０２は、例えば、Ａ地点からＢ地点まで飛行する航空機のエンジンの飛行セッションとすることができる。１つの地点から他の地点に移動する車またはトラック等、他の種類の負荷セッションも、もちろん想定できるものである。但し、以下の説明は、理解しやすくするため、航空機のみに関するものである。負荷セッション２０２は、Ａ地点からＢ地点まで等の飛行時に航空機に影響を与えた複数の時間依存のパラメータで構成することが可能である。したがって、負荷セッション２０２から負荷入力データ２０４に与えられたパラメータは、例えば、飛行中の天候状況、パイロットの挙動等によって異なる。パラメータは時間依存しているので、エンジンに影響を与える負荷はＡ地点からＢ地点までの飛行中連続して記録される。よって、負荷セッション２０２では、時間依存の負荷データが負荷入力データ２０４に入り、この入力データで、飛行時にエンジンに影響を与える負荷によって機械的負荷及び熱負荷を生成する。

その次に、負荷入力データ２０４で生成した機械的負荷及び熱負荷は、数値計算モデル２０６に与えられる。具体的には、熱負荷は、数値計算モデル２０６の熱モジュール２１０に入力され、機械的負荷は、数値計算モデル２０６の応力／歪みモジュール２０８に入力される。熱モジュール２１０及び応力／歪みモジュール２０８では、一例として、有限要素法ＦＥＭのような、メッシュによる計算方法を使用する。さらに、熱モジュール２１０及び応力／歪みモジュール２０８は、その次に、負荷セッション時に航空機エンジンの構成部分が受ける時間依存の応力、歪み、温度を計算する（Ｓ１０２）。次に、構成部分の計算した応力、歪み、温度を、負荷セッション２０２時の構成部分の消費寿命を予測する（Ｓ１０３）ための消費寿命予測モジュール２１８に与える。よって、消費寿命予測モジュール２１８は、構成部分の寿命を負荷セッション時にどの程度費やしたかを予測する。したがって、本発明の好ましい態様は、構成部分が飛行時に受ける内部の負荷サイクルを考慮することであり、航空機が着陸した際に応力、歪み、温度を確認することだけではない。

さて、簡易計算モデル２１２を生成する（Ｓ１０４）ために、数値計算モデル２０６に与えられたのと同じ負荷入力データ２０４は、簡易計算モデル２１２に入力される。また、消費寿命予測モジュール２１８で生成した予測消費寿命は、簡易計算モデル２１２に与えられる。これにより、時間依存入力と時間依存出力は、簡易計算モデル２１２に与えられ、時間依存入力を時間依存出力に関係付ける、状態方程式によって、簡易計算モデル２１２のパラメータの計算が可能である。一例として、時間依存入力と時間依存出力は、次の状態方程式により関係付けることができる。

ただし、ｕ_ｉ（ｔ）は、稼働時の負荷セッションによる時間依存入力、
ｙ_ｉ（ｔ）は、時間依存出力、すなわち時間依存応力、歪み又は温度、
ｎａ及びｎｂは、それぞれａ_ｉパラメータ及びｂ_ｉパラメータ、
ｎｋは現在時刻ｔより前のサンプル時間数である。

これにより、種々のパラメータ、すなわちａ及びｂは、簡易計算モデル２１２を生成するために計算できる。さらには、状態方程式は、出力、すなわちｙ_ｉ（ｔ）を、予測消費寿命に関係付ける方程式で構成される。詳細には、簡易計算モデル２１２は、応力／歪みモジュール２１４、温度モジュール２１６からでも構成される。したがって、熱負荷入力は、熱モジュール２１６のパラメータを生成するようになっており、機械的負荷入力は、応力／歪みモジュール２１４のパラメータを生成するようになっている。したがって、上記の方程式の例は、それぞれ、応力／歪みモジュール２１４と熱モジュール２１６用に整理することができる。

簡易計算モデル２１２が正確であること、すなわち、簡易計算モデルでなされた消費寿命予測が、数値計算モデルによって与えられた消費寿命予測に対応することを検証するために、新規の負荷セッション２０２のための新しい負荷入力データが、数値計算モデル２０６と簡易計算モデル２１２の両方に入力される（Ｓ１０５）。その次に、数値計算モデル２０６は、新規負荷セッション時に構成部分が受ける応力、歪み、温度を計算する（Ｓ１０６）。さらに、簡易計算モデル２１２は、簡易計算モデルの各応力、歪み、温度を計算する（Ｓ１０７）。簡易計算モデル２１２が正確であることを検証する中間ステップは、応力、歪み及び／又は温度に関する結果が、数値計算モデル２０６と簡易計算モデル２１２間で温度が所定限度内であると共に、応力／歪みが所定限度内であるかどうかを比較する（Ｓ１０８）。二つのモデル間の応力と歪みの差が、その所定限度を超え、かつ両モデル間の温度差が所定限度を超えているならば、簡易計算モデル２０６のパラメータは、パラメータを反復更新して再計算する（Ｓ１１２）。この再計算（Ｓ１１２）は、新しい負荷入力を受ける（Ｓ１０１）ための新規負荷セッション２０２を与え、上記の方法ステップＳ１０１〜Ｓ１０４を実行することで行うことができる。以前の負荷入力データ及び数値計算モデル２０６でなされた各消費寿命予測を使用して、簡易計算モデル２１２のパラメータを反復変更することで、再計算（Ｓ１１２）を再度行うことができ、パラメータを更新する。もっとも、本発明では、応力、歪み、温度を比較するステップ（Ｓ１０８）の行使に限定しない。そのような場合、数値計算モデル２０６及び簡易計算モデル２１２は、応力、歪み、温度を計算し（Ｓ１０６，Ｓ１０７）、消費寿命予測モジュール２１８、２２０に結果を与えることで、予測消費寿命同士の比較を行う。これについては以下でさらに説明する。

さらに、応力、歪み、温度が所定限度内であれば、数値計算モデル２０６と簡易計算モデル２１２とに対応する寿命予測を推定する（Ｓ１０９，Ｓ１１０）ために、数値計算モデル２０６と簡易計算モデル２１２からの結果は、消費寿命予測モジュール２１８、２２０それぞれに与えられる。その次に、簡易計算モデル２１２によって生成した予測消費寿命と、数値計算モデル２０６によって生成した予測消費寿命を比較することで、簡易計算モデル２１２を検証する（Ｓ１１１）。両モデル間の予測消費寿命の差異が所定の消費寿命限度内、すなわち、結果の正確度により個々に定められた一定の割合内であれば、簡易計算モデル２１２は検証され、正確であるとみなされる。しかし、その差異が所定限度を超えているならば、簡易計算モデル２１２のパラメータは、上記のとおり反復再計算される（Ｓ１１２）。

さて、簡易計算モデル２１２が上記のように生成される場合、図２の部分とともに図３を参照し、図３は、構成部分の消費寿命を予測する方法のフローチャートを示す。なお、上記のように生成された簡易計算モデル２１２は、航空機エンジンの一つの構成部分の重要な場所／部位の一つに対してのみ有効である。したがって、航空機エンジンの複数の重要な場所／部位を算出するためには、複数の簡易計算モデル２１２を生成する必要がある。

航空機が新規の第一の負荷セッションを行った場合は、上記のように、負荷入力データモジュール２０４が、時間依存の機械的負荷及び熱負荷に関する負荷入力データを与えることが可能となるように（Ｓ３０１）、データを、航空機エンジンから簡易計算モデル２１２の応力／歪みモジュール２１４及び熱モジュール２１６それぞれに与える。次に、簡易計算モデル２１２は、負荷セッションモジュール２０２から受け、飛行中に構成部分の重要な箇所に影響を与えた、時間依存の応力、歪み、温度を計算する（Ｓ３０２）。これらの時間依存の応力、歪み、温度は、簡易計算モデル２１２の各モジュール２１４、２１６から、特定の飛行中に発生した消費寿命を予測する（Ｓ３０３）ための消費寿命予測モジュール２２０に与えられる。そして、第一の飛行の構成部分の予測消費寿命は保存される。この予測消費寿命は、第一の飛行が構成部分の消費寿命に全寿命の０．２％影響した等のように、構成部分の全寿命に対する割合とすることができる。

その次に、航空機が新規の第二の負荷セッション２０２を受けた際、すなわち、航空機が場所Ｂから場所Ｃに飛行した等の後に、上記と同様に新規データが、負荷入力データモジュール２０４に与えられる。このモジュール２０４は、時間依存の機械的負荷と熱負荷に関する負荷入力データを、簡易計算モデル２１２の各応力／歪みモジュール２１４、温度モジュール２１６に与える（Ｓ３０４）ためのものである。次に、簡易計算モデル２１２は、負荷セッションモジュール２０２から受け、第二の飛行中に構成部分に影響を与えた、時間依存の応力、歪み、温度を計算する（Ｓ３０５）。この時間依存の応力、歪み、温度は、簡易計算モデル２１２の各モジュール２１４、２１６から、第二の負荷セッション中に消費した寿命を予測する（Ｓ３０６）ための消費寿命予測モジュール２２０に与えられる。この予想された消費寿命は再度保存される。

さらに、第二の負荷セッション後に構成部分の累積消費寿命を定めるために、第二の負荷セッションに対する、構成部分の予測された（Ｓ３０３）消費寿命を、第一の負荷セッションに対する、構成部分の重要箇所の予測され（Ｓ３０６）、保存された予測消費寿命に加算する（Ｓ３０７）。これにより、構成部分の重要箇所の予測消費寿命の累積は得られる。

さらに、構成部分の所定の許容消費寿命限度に到達し、それによって例えば構成部分を取り替えるか修理することになるまで、構成部分の重要箇所全てに対してステップＳ３０１〜Ｓ３０７を連続的に実行する。当該構成部分が問題ないか否かについての判定は、具体的な使用状況によって変わる。亀裂が始まる兆候が出てくれば、当該構成部分を交換する場合もあれば、一方、亀裂の進展は特定規準内であるとして許容される場合がある。さらに、航空機等では、当該構成部分の亀裂が始まる前でも、交換する場合がある。

さらには、上記のステップＳ１１１で簡易計算モデルを検証したが、当該モデルの妥当性検査を増やし、その正確さを確証するために構成部分に対してステップＳ１０１〜Ｓ１１１を所定間隔で実行できる。

さらに、上記では、応力／歪みモジュール２０８、２１４で、応力及び歪みを計算することを説明したが、本発明は、応力、歪みの片方のみを計算することにも等しく適用できる。すなわち、本発明を応力と歪み両方の計算に限定すると解釈すべきでない。さらに、応力／歪みモジュール、或いは後に続く他のモジュールは、数値計算モデルからの応力／歪みが複数の応力／歪み成分として与えられる場合は、簡易計算モデルから与えられた各応力／歪み成分と比較するため、主要応力／歪み成分を計算する。

したがって、本発明の実施形態の上記の説明と付随の図面は、本発明の制限ない例示とみなすべきであり、その保護範囲は付加されている請求項で規定されるものである。請求項中の参照記号はその範囲を限定するものとして解釈すべきでない。

Claims (18)

1. 稼働時に負荷を受ける構成部分の消費寿命を予測するのに使用する簡易計算モデルを生成する方法であって、
   −稼働時に、第一の負荷セッションによる第一の負荷入力データセットを受けるステップと、
   −数値計算モデルによって、前記構成部分の重要な部位の応力、歪み、温度の少なくとも一つを計算するステップと、
   −数値計算された前記応力、歪み、温度の少なくとも一つに基づいて前記構成部分の消費寿命を予測するステップ、及び
   −前記簡易計算モデルに複数の状態方程式を割り当てること、及び
   −前記第一の負荷入力データセットと数値計算された前記予測消費寿命との前記関係に基づき、前記複数の状態方程式のパラメータを計算することによって
   −負荷入力データと予測消費寿命との関係を定める前記簡易計算モデルを生成するステップと、
   を備えることを特徴とする方法。
2. −稼働時に、第二の負荷セッションによる第二の負荷入力データセットを受けるステップと、
   −前記数値計算モデルによって前記構成部分の前記重要な部位に対する応力、歪み、温度の少なくとも一つを計算するステップと、
   −前記数値計算された応力、歪み、温度の少なくとも一つに基づいて、前記構成部分の消費寿命を予測するステップと、
   −前記簡易計算モデルによって、前記構成部分の前記重要な部位の応力、歪み、温度の少なくとも一つを計算するステップと、
   −前記簡易計算モデルによって計算された前記応力、歪み、温度の少なくとも一つに基づいて、前記構成部分の消費寿命を予測するステップ、及び
   −数値計算された前記予測消費寿命と前記簡易計算モデルによって予想された前記予測消費寿命との差異が所定の消費寿命限度内であれば、前記簡易計算モデルは正確であることを検証するステップとを、
   さらに備える請求項１に記載の方法。
3. 前記簡易計算モデルによって計算された前記応力、歪み、温度の少なくとも一つに基づいて、前記構成部分の消費寿命を予測するステップは、
   −前記数値計算された応力及び／又は歪みと前記簡易計算モデルによって計算された応力及び／又は歪みを比較するステップと、
   −応力及び／又は歪みでの差異が所定の応力制限及び／又は歪み制限内であれば、前記簡易計算モデルによって計算された前記応力、歪み、温度の少なくとも一つに基づいて、前記構成部分の消費寿命を予測するステップと、
   を先に実施できることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 前記簡易計算モデルによって計算された前記応力、歪み、温度の少なくとも一つに基づいて、前記構成部分の消費寿命を予測するステップは、
   −前記数値計算された温度と前記簡易計算モデルによって計算された前記温度とを比較するステップと、
   −温度差が所定限度内であれば、前記簡易計算モデルによって計算された前記応力、歪み、温度の少なくとも一つに基づいて、前記構成部分の消費寿命を予測するステップと、
   を先に実施できることを特徴とする、請求項２又は３に記載の方法。
5. 前記簡易計算モデルは、前記簡易計算モデルが前記所定の消費寿命限度内であるという前記検証がなされるまで、前記状態方程式の前記パラメータを反復計算することで生成されることを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の方法。
6. 前記状態方程式は、
   

   

   ただし、ｕ_ｉ（ｔ）は、稼動時の前記負荷セッションからの時間依存の入力、
   ｙ_ｉ（ｔ）は、時間依存の応力、歪み、温度、
   ｎａとｎｂは、それぞれａ_ｉパラメータとｂ_ｉパラメータの数、
   ｎｋは現在時刻ｔより前のサンプル時間の数、
   で構成されることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれかに記載の方法。
7. 前記状態方程式は、予測消費寿命と、応力、歪み、温度とを関連づける方程式で構成することができることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. 前記簡易計算モデルは、温度計算モジュールと応力／歪み計算モジュールで構成することを特徴とする、請求項１乃至７のいずれかに記載の方法。
9. 前記計算された応力、歪み、温度は、時間依存性成分とすることを特徴とする、請求項１乃至８のいずれかに記載の方法。
10. 前記負荷セッションは、航空機の任務飛行で記録された負荷で構成することを特徴とする、請求項１乃至９のいずれかに記載の方法。
11. 前記数値計算モデルは、有限要素計算を用いたメッシュによる数値モデルとすることを特徴とする、請求項１乃至１０のいずれかに記載の方法。
12. 前記負荷入力データは、熱負荷及び機械的負荷の少なくとも一つで構成されることを特徴とする、請求項１乃至１１のいずれかに記載の方法。
13. 稼動時に負荷を受ける構成部分の消費寿命を予測する方法であって、
    −稼動時に第一の負荷セッションによる第一の負荷入力データセットを受けるステップと、
    −状態方程式で構成される簡易計算モデルによって、前記第一の負荷入力データセットに基づいて、前記構成部分の重要部位について応力、歪み、温度の少なくとも一つを計算するステップ、及び
    −前記応力、歪み、温度の少なくとも一つに基づき、前記第一の負荷セッションに対する、前記構成部分の消費寿命を予測するステップと
    を備える方法であって、
    前記簡易計算モデルは、請求項１乃至１２のいずれかにより生成されることを特徴とする、方法。
14. −稼動時の第二の負荷セッションによる第二の負荷入力データセットを受けるステップと、
    −前記簡易計算モデルによって、前記構成部分の前記重要部位について応力、歪み、温度の少なくとも一つを計算するステップと
    −前記計算された応力、歪み、温度に基づき、前記第二の負荷セッションの、前記構成部分の消費寿命を予測するステップ、及び
    −前記構成部分の消費寿命を累積するために、前記第二の負荷セッションによる前記予測消費寿命を前記第一の負荷セッションによる前記予測消費寿命に加えるステップと
    をさらに備える、請求項１３に記載の方法。
15. −稼動時の第三の負荷セッションによる第三の負荷入力データセットを受けるステップと、
    −前記数値計算モデルと前記簡易計算モデルによって、前記構成部分の前記重要部位の応力、歪み、温度の少なくとも一つを計算するステップと、
    −前記数値計算モデル及び前記簡易計算モデルによって計算された前記応力、歪み、温度の少なくとも一つに基づいて、前記第三の負荷セッションの前記構成部分の消費寿命を予測するステップ、及び
    −前記数値予測された消費寿命と、前記簡易計算モデルによって予想された予測消費寿命との差異が、所定の消費寿命限度内であれば、前記簡易計算モデルが正確であることを検証するステップと
    を先に実施する、請求項１３又は１４に記載の方法。
16. 簡易計算モデルを生成するシステムであって、
    −稼動時に機械装置が受ける負荷セッションの情報を構成する負荷セッションモジュールと、
    −負荷セッション情報を熱負荷及び機械的負荷に変換するための負荷生成手段で構成される負荷入力データモジュールと、
    −温度計算モジュール及び応力／歪み計算モジュールで構成する数値計算モデルと、
    −温度計算モジュール及び応力／歪み計算モジュールで構成する簡易計算モジュール、及び
    −応力、歪み、温度の少なくとも一つに基づいて消費寿命を予測するための手段を構成する消費寿命予測モジュールと
    を備え、
    −稼動時に、第一の負荷セッションによる第一の負荷入力データセットを受ける、
    −前記数値計算モデルによって、構成部分の重要な部位の応力、歪み、温度の少なくとも一つを計算する、
    −前記消費寿命予測モジュールによって、数値計算された前記応力、歪み、温度の少なくとも一つに基づいて、前記構成部分の消費寿命を予測する、及び
    −前記簡易計算モデルに複数の状態方程式を対応付けること及び、
    −第一の負荷入力データセットと数値計算された予測消費寿命の少なくとも一つとの関係に基づき、前記複数の状態方程式のパラメータを計算することによって、
    −負荷入力データと構前記成部分の予測消費寿命との関係を定める簡易計算モデルを生成する、
    ように構成されることを特徴とするシステム。
17. 稼働中に負荷を受ける構成部分の消費寿命を予測するシステムであって、
    −稼動時に機械装置が受ける負荷セッションの情報を構成する負荷セッションモジュールと、
    −負荷セッション情報を熱負荷及び機械的負荷に変換する負荷生成手段で構成される負荷入力データモジュールと、
    −温度計算モジュール及び応力／歪み計算モジュールで構成する簡易計算モジュールと、及び
    −応力、歪み、温度の少なくとも一つに基づいて消費寿命を予測するための手段を構成する消費寿命予測モジュールと
    を備え、
    −稼動時に、第一の負荷セッションによる第一の負荷入力データセットを受ける、
    −前記第一の負荷入力データに基づき、かつ状態方程式で構成される前記簡易計算モデルによって、構成部分の重要な部位の応力、歪み、温度の少なくとも一つを計算する、及び
    −計算された前記応力、歪み、温度の少なくとも一つに基づいて、前記第一の負荷セッションの前記構成部分の消費寿命を予測する、
    ように構成されることを特徴とするシステムであって、
    前記簡易計算モデルは、請求項１６により生成されることを特徴とする、システム。
18. 稼動時に負荷を受ける構成部分の簡易計算モデルを処理装置に生成させるためのコンピュータプログラム手段を格納したコンピュータ読み取り媒体を備え、請求項１乃至１２のいずれかに記載の前記方法を実行するコードを備えることを特徴とするコンピュータプログラム。

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