JP7471031B2 - DEFECT ESTIMATION DEVICE, DEFECT ESTIMATION METHOD, AND PROGRAM - Google Patents
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Description
特許法第30条第2項適用 2021年3月10日,日本機械学会主催 関東学生会第60回学生員卒業研究発表講演会論文集“機械学習を用いた層間剥離を有する炭素繊維強化プラスチックの表面応力・欠陥解析”にて公開Article 30,
特許法第30条第2項適用 2021年5月27日,日本計算工学会主催 第26回計算工学講演会論文集Vol.26 B-07-03“機械学習を用いた炭素繊維強化プラスチック表面応力に基づく内部欠陥逆推定”にて公開Article 30,
特許法第30条第2項適用 2021年9月7日,https://complas2021.cimne.com/technical_program,COMPLAS2021講演予稿集“Estimasion of Defects in Carbon Fiber Reinforced Plastic Based on Surface Pressure by Machine Learning”にて公開Application of Article 30,
この発明は、欠陥推定装置、欠陥推定方法及びプログラムに関する。 This invention relates to a defect estimation device, a defect estimation method, and a program.
炭素繊維強化プラスチック(Carbon Fiber Reinforced Plastic; CFRP)は、樹脂を母材とし、炭素繊維を強化材とする複合材料である。一般的に、CFRPは、強度及び剛性が一方向に強化されているプリプレグを積層して使用する。以下、積層構造を有するCFRPを、「CFRP積層体」と呼ぶ。 Carbon Fiber Reinforced Plastic (CFRP) is a composite material that uses resin as the base material and carbon fiber as the reinforcing material. CFRP is generally used by laminating prepregs whose strength and rigidity are reinforced in one direction. Hereinafter, CFRP with a laminated structure will be referred to as a "CFRP laminate."
CFRP積層体が有する内部欠陥を検出するために、例えば、超音波測定(非特許文献1参照)又は放射線透過法(非特許文献2参照)等の非破壊検査が、従来から行われている。また、従来の非破壊検査の欠点を解決するために、例えば、赤外線サーモグラフィによる応力解析(非特許文献3参照)及び機械学習モデルを用いた手法(非特許文献4参照)等の研究がなされている。 To detect internal defects in CFRP laminates, non-destructive testing such as ultrasonic measurement (see Non-Patent Document 1) or radiographic transmission (see Non-Patent Document 2) has been conventionally performed. In addition, to solve the shortcomings of conventional non-destructive testing, research has been conducted on, for example, stress analysis using infrared thermography (see Non-Patent Document 3) and methods using machine learning models (see Non-Patent Document 4).
しかしながら、非特許文献3及び非特許文献4に記載の技術では、CFRP積層体が有する内部欠陥の位置を詳細に特定することができない、という課題がある。 However, the techniques described in Non-Patent Documents 3 and 4 have the problem that they are unable to pinpoint the location of internal defects in a CFRP laminate in detail.
本発明は、上記のような技術的課題に鑑みて、繊維強化プラスチックの積層体が有する内部欠陥の3次元位置を推定することを目的とする。 In view of the above technical problems, the present invention aims to estimate the three-dimensional position of internal defects in a fiber-reinforced plastic laminate.
上記の課題を解決するために、本発明の一態様の欠陥推定装置は、繊維強化プラスチックの積層体の表面に温度変化が生じる前の温度分布と温度変化が生じた後の温度分布との差分に基づく特徴データの入力を受け付けるように構成された特徴量受付部と、特徴データと内部欠陥の3次元位置を表す位置情報との関係を学習したモデルに、特徴量受付部が受け付けた特徴データを入力することで、積層体が有する内部欠陥の3次元位置を推定するように構成された欠陥位置推定部と、を備える。位置情報は、積層体の各層を所定数のメッシュに分割し、メッシュそれぞれに内部欠陥が存在するか否かを表す情報である。 In order to solve the above problem, a defect estimation device according to one aspect of the present invention includes a feature amount receiving unit configured to receive input of feature data based on the difference between the temperature distribution before a temperature change occurs on the surface of a fiber-reinforced plastic laminate and the temperature distribution after the temperature change occurs, and a defect position estimation unit configured to estimate the three-dimensional position of an internal defect in the laminate by inputting the feature data received by the feature amount receiving unit into a model that has learned the relationship between the feature data and position information that represents the three-dimensional position of an internal defect. The position information is information that divides each layer of the laminate into a predetermined number of meshes and indicates whether or not an internal defect exists in each mesh.
本発明の一態様によれば、繊維強化プラスチックの積層体が有する内部欠陥の3次元位置を推定することができる。 According to one aspect of the present invention, it is possible to estimate the three-dimensional position of an internal defect in a fiber-reinforced plastic laminate.
以下、本発明の各実施形態について添付の図面を参照しながら説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省略する。 Hereinafter, each embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In this specification and drawings, components having substantially the same functional configuration are designated by the same reference numerals, and redundant description will be omitted.
[第1実施形態]
炭素繊維強化プラスチック(CFRP)は、高い比弾性率特性を持ち、宇宙・航空分野等で広く使用されている。また、今後は、自動車の電動化が進展するに連れて、自動車分野でも使用が拡大することが見込まれている。
[First embodiment]
Carbon fiber reinforced plastics (CFRP) have high specific elasticity and are widely used in the aerospace and aviation fields. In the future, their use is expected to expand in the automotive field as the electrification of automobiles progresses.
積層構造を有するCFRP(CFRP積層体)は、使用時又は製造時に内部欠陥が生じることがある。使用時に生じる内部欠陥には、例えば、層間剥離、繊維破断、母材割れ等がある。製造時に生じる内部欠陥には、例えば、異物混入等がある。 CFRP (CFRP laminates) with a laminated structure may develop internal defects during use or manufacturing. Internal defects that occur during use include, for example, delamination, fiber breakage, and base material cracks. Internal defects that occur during manufacturing include, for example, the inclusion of foreign matter.
CFRP積層体に生じた内部欠陥を検出するために、従来から超音波測定(非特許文献1参照)又は放射線透過法(非特許文献2参照)等の非破壊検査が行われている。しかしながら、超音波測定では、水又は油等の接触部材が必要であり、検査技術者の技量が検査結果の精度に与える影響が大きい。また、放射線透過法では、管理区域の設定等の安全管理が必要であり、現像時間が必要となるため、経済的及び時間的コストが大きい。 To detect internal defects in CFRP laminates, non-destructive testing such as ultrasonic measurement (see Non-Patent Document 1) or radiography (see Non-Patent Document 2) has been used. However, ultrasonic measurement requires contact materials such as water or oil, and the skill of the testing technician has a large impact on the accuracy of the test results. In addition, radiography requires safety management such as setting up controlled areas, and requires development time, resulting in high economic and time costs.
そこで、赤外線サーモグラフィによる応力解析(非特許文献3参照)が注目されている。赤外線サーモグラフィは、物体表面から放出される赤外線エネルギ分布を赤外線センサにより計測し、温度分布に換算する装置である。非特許文献3では、赤外線サーモグラフィによる欠陥探査が、橋等の構造物に対して有用であることが開示されている。しかしながら、非特許文献3に開示された技術では、内部欠陥の位置の詳細を特定することができない。 In this context, stress analysis using infrared thermography (see Non-Patent Document 3) has attracted attention. Infrared thermography is a device that uses an infrared sensor to measure the distribution of infrared energy emitted from the surface of an object and converts it into a temperature distribution. Non-Patent Document 3 discloses that defect detection using infrared thermography is useful for structures such as bridges. However, the technology disclosed in Non-Patent Document 3 cannot pinpoint the detailed location of internal defects.
また、機械学習モデルを用いた手法(非特許文献4参照)の研究がなされている。非特許文献4では、1次から3次の固有振動数を入力データとし、損傷の位置及び量を求めるニューラルネットワークを作成している。しかしながら、非特許文献4では、CFRP積層板を長手方向に10分割し、先端の2要素を除いた8要素において損傷の位置及び量を求めている。したがって、非特許文献4に開示された技術では、出力される位置情報の分解能が低く、内部欠陥の位置の詳細を特定することができない。 Research is also being conducted on a method using a machine learning model (see Non-Patent Document 4). In Non-Patent Document 4, a neural network is created that uses the first to third natural frequencies as input data to determine the location and amount of damage. However, in Non-Patent Document 4, the CFRP laminate plate is divided into 10 parts in the longitudinal direction, and the location and amount of damage is determined for 8 elements excluding the 2 elements at the tip. Therefore, the technology disclosed in Non-Patent Document 4 has low resolution for the output position information, and cannot specify the detailed location of the internal defect.
本実施形態における欠陥推定装置は、赤外線サーモグラフィによりCFRP積層体の表面温度を測定した画像から、当該積層体が有する内部欠陥の3次元位置を推定する。推定には、CFRP積層体の表面温度変化分布と、当該積層体が有する内部欠陥の3次元位置との関係を学習した、畳み込みニューラルネットワーク(Convolutional Neural Network; CNN)を用いる。 The defect estimation device in this embodiment estimates the three-dimensional location of internal defects in a CFRP laminate from an image obtained by measuring the surface temperature of the laminate using infrared thermography. For the estimation, a Convolutional Neural Network (CNN) is used that has learned the relationship between the distribution of changes in the surface temperature of the CFRP laminate and the three-dimensional location of internal defects in the laminate.
本実施形態における欠陥推定装置によれば、CFRP積層体の表面温度を表す画像(2次元データ)から、当該積層体が有する内部欠陥の位置情報(3次元データ)の推定値を得ることができる。すなわち、CFRP積層体が有する内部欠陥の3次元位置を精細に推定することができる。 The defect estimation device of this embodiment can obtain an estimate of the position information (three-dimensional data) of an internal defect in a CFRP laminate from an image (two-dimensional data) that represents the surface temperature of the laminate. In other words, it is possible to precisely estimate the three-dimensional position of an internal defect in a CFRP laminate.
<欠陥推定システムの全体構成>
まず、本実施形態における欠陥推定システムの全体構成を、図1を参照しながら説明する。図1は、本実施形態における欠陥推定システムの全体構成の一例を示すブロック図である。
<Overall configuration of defect estimation system>
First, the overall configuration of a defect estimation system according to this embodiment will be described with reference to Fig. 1. Fig. 1 is a block diagram showing an example of the overall configuration of a defect estimation system according to this embodiment.
図1に示されているように、本実施形態における欠陥推定システム100は、温度測定装置1及び欠陥推定装置2を含む。温度測定装置1及び欠陥推定装置2は、LAN(Local Area Network)又はインターネット等の通信ネットワークN1を介してデータ通信可能に接続されている。
As shown in FIG. 1, the defect estimation system 100 in this embodiment includes a temperature measuring device 1 and a
温度測定装置1は、学習対象又は推定対象とするCFRP積層体の表面温度を測定する電子機器である。温度測定装置1は、CFRP積層体の表面温度を変化させ、表面温度が変化する前と後に、赤外線カメラによりCFRP積層体の表面温度を測定する。また、温度測定装置1は、表面温度が変化する前と後に測定した表面温度の分布を表す2枚の画像(以下、「表面温度画像」とも呼ぶ)に基づいて、表面温度の変化を表す画像(以下、「温度変化画像」とも呼ぶ)を計算する。 The temperature measuring device 1 is an electronic device that measures the surface temperature of a CFRP laminate that is the learning or estimation target. The temperature measuring device 1 changes the surface temperature of the CFRP laminate, and measures the surface temperature of the CFRP laminate with an infrared camera before and after the surface temperature change. The temperature measuring device 1 also calculates an image that shows the change in surface temperature (hereinafter also referred to as a "temperature change image") based on two images that show the distribution of the surface temperature measured before and after the surface temperature change (hereinafter also referred to as "surface temperature images").
CFRP積層体の表面温度を変化させる方法は、CFRP積層体の形状及び用途等によって異なる。本実施形態では、CFRP積層体に固定外力を加えることで、表面温度を変化させる。具体的には、板状に形成されたCFRP積層体の両端を支持し、互いに逆方向に引っ張る。 The method for changing the surface temperature of a CFRP laminate varies depending on the shape and application of the CFRP laminate. In this embodiment, the surface temperature is changed by applying a fixed external force to the CFRP laminate. Specifically, both ends of a plate-shaped CFRP laminate are supported and pulled in opposite directions.
CFRP積層体の表面温度を変化させる方法は、固定外力を加える方法に限定されない。例えば、CFRP積層体に熱を加えることで、表面温度を変化させてもよい。この場合、CFRP積層体の表面に赤外線を照射して表面温度を上昇させた後、時間変化に伴う温度変化を測定すればよい。 The method of changing the surface temperature of a CFRP laminate is not limited to applying a fixed external force. For example, the surface temperature may be changed by applying heat to the CFRP laminate. In this case, infrared rays are irradiated onto the surface of the CFRP laminate to raise the surface temperature, and then the temperature change over time is measured.
欠陥推定装置2は、CFRP積層体が有する内部欠陥の位置を推定するPC(Personal Computer)、ワークステーション、サーバ等の情報処理装置である。欠陥推定装置2は、学習対象とするCFRP積層体の温度変化を測定した温度変化画像と、ユーザにより入力された内部欠陥の位置情報とに基づいて、温度変化画像に基づく特徴データを入力とし、内部欠陥の位置情報の推定値を出力する推定モデルを学習する。また、欠陥推定装置2は、学習済みの推定モデルを用いて、推定対象とするCFRP積層体の温度変化を測定した温度変化画像から内部欠陥の位置を推定する。
The
なお、図1に示した欠陥推定システム100の全体構成は一例であって、用途や目的に応じて様々なシステム構成例があり得る。例えば、欠陥推定装置2は、複数台のコンピュータにより実現してもよいし、クラウドコンピューティングのサービスとして実現してもよい。
Note that the overall configuration of the defect estimation system 100 shown in FIG. 1 is just one example, and various system configuration examples are possible depending on the application and purpose. For example, the
<欠陥推定システムのハードウェア構成>
次に、本実施形態における欠陥推定システムのハードウェア構成を、図2及び図3を参照しながら説明する。
<Hardware configuration of defect estimation system>
Next, the hardware configuration of the defect estimation system in this embodiment will be described with reference to FIGS.
≪コンピュータのハードウェア構成≫
本実施形態における欠陥推定装置2は、例えばコンピュータにより実現される。図2は、本実施形態におけるコンピュータ500のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。
<Computer hardware configuration>
The
図2に示されているように、コンピュータ500は、CPU(Central Processing Unit)501、ROM(Read Only Memory)502、RAM(Random Access Memory)503、HDD(Hard Disk Drive)504、入力装置505、表示装置506、通信I/F(Interface)507及び外部I/F508を有する。CPU501、ROM502及びRAM503は、いわゆるコンピュータを形成する。コンピュータ500の各ハードウェアは、バスライン509を介して相互に接続されている。なお、入力装置505及び表示装置506は外部I/F508に接続して利用する形態であってもよい。
As shown in FIG. 2, the
CPU501は、ROM502又はHDD504等の記憶装置からプログラムやデータをRAM503上に読み出し、処理を実行することで、コンピュータ500全体の制御や機能を実現する演算装置である。
The
ROM502は、電源を切ってもプログラムやデータを保持することができる不揮発性の半導体メモリ(記憶装置)の一例である。ROM502は、HDD504にインストールされている各種プログラムをCPU501が実行するために必要な各種プログラム、データ等を格納する主記憶装置として機能する。具体的には、ROM502には、コンピュータ500の起動時に実行されるBIOS(Basic Input/Output System)、EFI(Extensible Firmware Interface)等のブートプログラムや、OS(Operating System)設定、ネットワーク設定等のデータが格納されている。
RAM503は、電源を切るとプログラムやデータが消去される揮発性の半導体メモリ(記憶装置)の一例である。RAM503は、例えば、DRAM(Dynamic Random Access Memory)やSRAM(Static Random Access Memory)等である。RAM503は、HDD504にインストールされている各種プログラムがCPU501によって実行される際に展開される作業領域を提供する。
HDD504は、プログラムやデータを格納している不揮発性の記憶装置の一例である。HDD504に格納されるプログラムやデータには、コンピュータ500全体を制御する基本ソフトウェアであるOS、及びOS上において各種機能を提供するアプリケーション等がある。なお、コンピュータ500はHDD504に替えて、記憶媒体としてフラッシュメモリを用いる記憶装置(例えばSSD:Solid State Drive等)を利用するものであってもよい。
The
入力装置505は、ユーザが各種信号を入力するために用いるタッチパネル、操作キーやボタン、キーボードやマウス、音声等の音データを入力するマイクロホン等である。
The
表示装置506は、画面を表示する液晶や有機EL(Electro-Luminescence)等のディスプレイ、音声等の音データを出力するスピーカ等で構成されている。
The
通信I/F507は、通信ネットワークに接続し、コンピュータ500がデータ通信を行うためのインタフェースである。
The communication I/
外部I/F508は、外部装置とのインタフェースである。外部装置には、ドライブ装置510等がある。
The external I/
ドライブ装置510は、記録媒体511をセットするためのデバイスである。ここでいう記録媒体511には、CD-ROM、フレキシブルディスク、光磁気ディスク等のように情報を光学的、電気的あるいは磁気的に記録する媒体が含まれる。また、記録媒体511には、ROM、フラッシュメモリ等のように情報を電気的に記録する半導体メモリ等が含まれていてもよい。これにより、コンピュータ500は外部I/F508を介して記録媒体511の読み取り及び/又は書き込みを行うことができる。
The
なお、HDD504にインストールされる各種プログラムは、例えば、配布された記録媒体511が外部I/F508に接続されたドライブ装置510にセットされ、記録媒体511に記録された各種プログラムがドライブ装置510により読み出されることでインストールされる。あるいは、HDD504にインストールされる各種プログラムは、通信I/F507を介して、通信ネットワークとは異なる他のネットワークよりダウンロードされることでインストールされてもよい。
The various programs to be installed in the
≪温度測定装置のハードウェア構成≫
図3は、本実施形態における温度測定装置1のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。図3に示されているように、本実施形態における温度測定装置1は、制御装置101、一対の支持部102、駆動制御部103及び赤外線カメラ104を有する。
<Hardware configuration of temperature measurement device>
3 is a block diagram showing an example of a hardware configuration of the temperature measuring device 1 according to the present embodiment. As shown in FIG. 3, the temperature measuring device 1 according to the present embodiment includes a
支持部102は、CFRP積層体1000の一端を支持する第1支持部102Aと、他の一端を支持する第2支持部102Bとからなる。駆動制御部103は、第1支持部102A及び第2支持部102Bを、第1支持部102Aと第2支持部102Bとを結ぶ線に沿ってそれぞれ直進運動させる制御を行う。
The support part 102 consists of a
第1支持部102A及び第2支持部102Bが、CFRP積層体1000の両端を支持した状態で、駆動制御部103が第1支持部102A及び第2支持部102Bを互いに逆方向に移動させることで、CFRP積層体1000に引張応力を作用させることができる。これにより、応力変動に比例した温度降下がCFRP積層体1000に生じ、CFRP積層体1000の表面温度が変化する。
With the
赤外線カメラ104は、CFRP積層体1000の表面から放出される赤外線を受光し、赤外線解析によりCFRP積層体1000の表面温度画像を生成する。
The
制御装置101は、例えばコンピュータにより実現される。制御装置101は、CPU501、ROM502、RAM503、入力装置505、表示装置506、及び外部I/F508を有する。CPU501、ROM502及びRAM503は、いわゆるコンピュータを形成する。制御装置101の各ハードウェアは、バスライン509を介して相互に接続されている。なお、入力装置505及び表示装置506は外部I/F508に接続して利用する形態であってもよい。
The
駆動制御部103及び赤外線カメラ104は、外部I/F508に接続されており、制御装置101により制御される。また、赤外線カメラ104が取得した表面温度画像は、外部I/F508を介して制御装置101に入力される。
The
ここで、本実施形態におけるCFRP積層体の構造について、図4を参照しながら説明する。図4は、本実施形態におけるCFRP積層体の一例を示す概念図である。 Here, the structure of the CFRP laminate in this embodiment will be described with reference to Figure 4. Figure 4 is a conceptual diagram showing an example of a CFRP laminate in this embodiment.
図4に示されているように、本実施形態におけるCFRP積層体1000は複数のプリプレグ1001を積層して構成される。各プリプレグ1001は、樹脂である母材1002を、炭素繊維である強化繊維1003により、一方向に強度及び剛性を強化されている。CFRP積層体1000は、プリプレグ1001を積層する際に、各層で繊維配向を等角度に回転させることで、全体として等方性を示すように構成されている。
As shown in FIG. 4, the
図4では、各プリプレグを90°ずつ回転させた例を示しているが、例えば、30°、45°、60°等で回転させてもよい。また、図4では、10層に積層した例を示しているが、2層以上であれば層数は限定されない。本実施形態では、CFRP積層体を想定しているが、強化繊維及び樹脂の種類は適宜変更しても構わない。 Figure 4 shows an example in which each prepreg is rotated by 90°, but it may be rotated by, for example, 30°, 45°, 60°, etc. Also, while Figure 4 shows an example in which 10 layers are laminated, the number of layers is not limited as long as it is two or more. In this embodiment, a CFRP laminate is assumed, but the types of reinforcing fibers and resins may be changed as appropriate.
<欠陥推定システムの機能構成>
続いて、本実施形態における欠陥推定システムの機能構成を、図5を参照しながら説明する。図5は本実施形態における欠陥推定システムの機能構成の一例を示すブロック図である。
<Functional configuration of the defect estimation system>
Next, the functional configuration of the defect estimation system in this embodiment will be described with reference to Fig. 5. Fig. 5 is a block diagram showing an example of the functional configuration of the defect estimation system in this embodiment.
≪温度測定装置の機能構成≫
図5に示されているように、本実施形態における温度測定装置1は、温度変化部11、温度測定部12及び画像生成部13を備える。
<Functional configuration of temperature measuring device>
As shown in FIG. 5, the temperature measuring device 1 in this embodiment includes a
温度変化部11は、図3に示されている支持部102及び駆動制御部103によって実現される。温度測定部12は、図3に示されている赤外線カメラ104によって実現される。画像生成部13は、図3に示されているROM502からRAM503上に展開されたプログラムがCPU501に実行させる処理によって実現される。
The
温度変化部11は、駆動制御部103が支持部102を駆動させることによって、学習対象及び推定対象とするCFRP積層体の表面温度を変化させる。
The
温度測定部12は、赤外線カメラ104によって、学習対象及び推定対象とするCFRP積層体の表面温度を測定する。また、温度測定部12は、CFRP積層体の表面温度画像を生成する。さらに、温度測定部12は、生成した表面温度画像を画像生成部13に送る。
The
画像生成部13は、温度変化部11がCFRP積層体の表面温度を変化させる前と後に生成された2枚の表面温度画像に基づいて、温度変化画像を生成する。また、画像生成部13は、生成した温度変化画像を欠陥推定装置2に送信する。
The
≪欠陥推定装置の機能構成≫
図5に示されているように、本実施形態における欠陥推定装置2は、画像受付部21、位置情報受付部22、特徴量計算部23、モデル学習部24、モデル記憶部25、欠陥位置推定部26及び結果出力部27を備える。
<Functional configuration of the defect estimation device>
As shown in FIG. 5 , the
画像受付部21、位置情報受付部22、特徴量計算部23、モデル学習部24、欠陥位置推定部26及び結果出力部27は、図2に示されているHDD504からRAM503上に展開されたプログラムがCPU501に実行させる処理によって実現される。モデル記憶部25は、図2に示されているHDD504によって実現される。
The
画像受付部21は、温度測定装置1から温度変化画像を受信する。また、画像受付部21は、温度変化画像を特徴量計算部23に送る。
The
位置情報受付部22は、ユーザの操作に応じて、学習対象とするCFRP積層体が有する内部欠陥の位置情報の入力を受け付ける。また、位置情報受付部22は、受け付けた内部欠陥の位置情報をモデル学習部24に送る。
The position
特徴量計算部23は、画像受付部21から受け取った温度変化画像に基づいて特徴データを計算する。本実施形態における特徴データは、CFRP積層体の表面主応力和分布である。
The feature
特徴量計算部23は、学習対象とするCFRP積層体に関する温度変化画像に基づいて特徴データを計算した場合、当該特徴データをモデル学習部24に送る。また、特徴量計算部23は、推定対象とするCFRP積層体に関する温度変化画像に基づいて特徴データを計算した場合、当該特徴データを欠陥位置推定部26に送る。
When the feature
モデル学習部24は、位置情報受付部22が受け付けた内部欠陥の位置情報と、特徴量計算部23が計算した特徴データとを関連付けることで、学習データを生成する。また、モデル学習部24は、生成した学習データを用いて、推定モデルを学習する。
The
モデル記憶部25は、モデル学習部24が生成した学習済みの推定モデルを記憶する。
The
欠陥位置推定部26は、モデル記憶部25から推定モデルを読み出し、特徴量計算部23から受け取った特徴データを推定モデルに入力することで、推定対象とするCFRP積層体が有する内部欠陥の位置情報の推定値を計算する。
The defect
結果出力部27は、内部欠陥の推定結果を表示装置506等に出力する。当該推定結果は、欠陥位置推定部26が計算した内部欠陥の位置情報の推定値を含む。
The
<欠陥推定システムの処理手順>
次に、本実施形態における欠陥推定システムが実行する欠陥推定方法の処理手順を、図6及び図7を参照しながら説明する。本実施形態における欠陥推定方法は、推定モデルを学習する学習方法(図6参照)、及び学習済みの推定モデルを用いて内部欠陥の3次元位置を推定する推定方法(図7参照)からなる。
<Processing Procedure of Defect Estimation System>
Next, a processing procedure of a defect estimation method executed by the defect estimation system in this embodiment will be described with reference to Fig. 6 and Fig. 7. The defect estimation method in this embodiment includes a learning method (see Fig. 6) for learning an estimation model, and an estimation method (see Fig. 7) for estimating a three-dimensional position of an internal defect using the learned estimation model.
≪学習方法≫
図6は本実施形態における学習方法の処理手順の一例を示すフローチャートである。
<How to learn>
FIG. 6 is a flowchart showing an example of a processing procedure of a learning method according to this embodiment.
ステップS12-1において、温度測定装置1が備える温度測定部12は、学習対象とするCFRP積層体の表面温度を変化させる前に、当該積層体の表面温度を測定する。次に、温度測定部12は、測定した表面温度の分布を表す表面温度画像(以下、「温度変化前画像」とも呼ぶ)を生成する。続いて、温度測定部12は、温度変化前画像を画像生成部13に送る。
In step S12-1, the
ステップS11において、温度測定装置1が備える温度変化部11は、学習対象とするCFRP積層体の温度を変化させる。具体的には、学習対象とするCFRP積層体に所定の固定外力を与える。
In step S11, the
ステップS12-2において、温度測定装置1が備える温度測定部12は、学習対象とするCFRP積層体の表面温度を変化させた後に、当該積層体の表面温度を測定する。次に、温度測定部12は、測定した表面温度の分布を表す表面温度画像(以下、「温度変化後画像」とも呼ぶ)を生成する。続いて、温度測定部12は、温度変化後画像を画像生成部13に送る。
In step S12-2, the
ステップS13において、温度測定装置1が備える画像生成部13は、温度測定部12から温度変化前画像及び温度変化後画像を受け取る。次に、画像生成部13は、温度変化前画像及び温度変化後画像に基づいて、学習対象とするCFRP積層体の表面温度変化を表す温度変化画像を生成する。続いて、画像生成部13は、温度変化画像を欠陥推定装置2に送信する。
In step S13, the
具体的には、画像生成部13は、温度変化前画像と温度変化後画像との差分を計算する。すなわち、各画像の画素毎に、温度変化後画像が表す表面温度から温度変化前画像が表す表面温度を減算する。
Specifically, the
ステップS21において、欠陥推定装置2が備える画像受付部21は、温度測定装置1から学習対象とするCFRP積層体に関する温度変化画像を受信する。次に、画像受付部21は、温度測定装置1から受信した温度変化画像を特徴量計算部23に送る。
In step S21, the
ステップS22において、欠陥推定装置2が備える位置情報受付部22は、ユーザの操作に応じて、学習対象とするCFRP積層体が有する内部欠陥の3次元位置を表す位置情報の入力を受け付ける。次に、位置情報受付部22は、受け付けた内部欠陥の位置情報をモデル学習部24に送る。
In step S22, the position
本実施形態における内部欠陥の位置情報は、CFRP積層体における内部欠陥が存在する3次元座標及び内部欠陥のサイズを含む。なお、内部欠陥のサイズとは、CFRP積層体の各層における内部欠陥が存在する範囲である。 In this embodiment, the position information of the internal defect includes the three-dimensional coordinates of the internal defect in the CFRP laminate and the size of the internal defect. The size of the internal defect is the range in which the internal defect exists in each layer of the CFRP laminate.
具体的には、内部欠陥の位置情報は、CFRP積層体の各層を所定数のメッシュに分割し、各メッシュに内部欠陥が存在するか否かを表すチャンネルを設定した情報である。当該チャンネルは、例えば、内部欠陥が存在する場合は1、存在しない場合には0が設定される。すなわち、各メッシュの位置は、CFRP積層体の表面からみた2次元座標に、層の深さを加えた3次元座標を表している。また、各層においてチャンネルの値が1である範囲が、内部欠陥のサイズを表している。 Specifically, the position information of internal defects is information in which each layer of the CFRP laminate is divided into a specified number of meshes, and a channel is set for each mesh to indicate whether or not an internal defect exists. For example, the channel is set to 1 if an internal defect exists, and 0 if it does not. In other words, the position of each mesh represents a three-dimensional coordinate obtained by adding the depth of the layer to the two-dimensional coordinate as seen from the surface of the CFRP laminate. Also, the range in each layer where the channel value is 1 represents the size of the internal defect.
なお、本実施形態では、メッシュは、直交等間隔に分割するものとする。ただし、欠陥が生じやすい位置が判明している場合等には、当該位置の近傍領域は細かく、その他の領域は粗く分割してもよい。 In this embodiment, the mesh is divided into equal orthogonal intervals. However, if a location where defects are likely to occur is known, the area near that location may be divided finely and other areas may be divided roughly.
ステップS23において、欠陥推定装置2が備える特徴量計算部23は、画像受付部21から温度変化画像を受け取る。次に、特徴量計算部23は、温度変化画像に基づいて表面主応力和分布を計算する。続いて、特徴量計算部23は、計算した表面主応力和分布をモデル学習部24に送る。
In step S23, the feature
具体的には、特徴量計算部23は、温度変化画像を所定数のメッシュに分割し、各メッシュに対応する温度変化量を計算することで、表面温度変化分布を得る。メッシュの温度変化量は、当該メッシュの代表点(中心等)の温度変化量でもよいし、メッシュ内の温度変化量の平均でもよい。メッシュの分割方法は、内部欠陥の位置情報と同様である。
Specifically, the
次に、特徴量計算部23は、表面温度変化分布に対してケルビンの理論(参考文献1参照)を適用することで、表面主応力和分布を計算する。ケルビンの理論は、熱弾性効果による温度の変化量ΔTと主応力和の変化量Δσとの関係を、ΔT = -kTΔσで与える。ただし、kは熱弾性係数、Tは絶対温度である。
Next, the
〔参考文献1〕W. Thomson (Lord Kelvin), "On the Dynamical Theory of Heat", Trans. Roy. Soc., Vol.20, pp.261-283, 1853. [Reference 1] W. Thomson (Lord Kelvin), "On the Dynamical Theory of Heat", Trans. Roy. Soc., Vol.20, pp.261-283, 1853.
ステップS12-1からステップS23までは、学習対象とするCFRP積層体それぞれについて、繰り返し実行する。これにより、学習対象とするCFRP積層体それぞれに対応する表面主応力分布及び内部欠陥の位置情報がモデル学習部24に入力される。
Steps S12-1 to S23 are repeatedly executed for each CFRP laminate to be learned. As a result, the surface principal stress distribution and internal defect position information corresponding to each CFRP laminate to be learned are input to the
ステップS24において、欠陥推定装置2が備えるモデル学習部24は、位置情報受付部22から内部欠陥の位置情報を受け取る。また、モデル学習部24は、特徴量計算部23から表面主応力分布を受け取る。
In step S24, the
次に、モデル学習部24は、表面主応力分布と内部欠陥の位置情報とを関連付けることで、学習データを生成する。このとき、モデル学習部24は、学習データに含まれる表面主応力和分布を、学習データ全体に対して標準化してもよい。
Next, the
続いて、モデル学習部24は、生成した学習データを用いて、推定モデルを学習する。本実施形態における推定モデルは、CFRP積層体の表面主応力和分布を入力とし、当該積層体が有する内部欠陥の位置情報の推定値を出力する畳み込みニューラルネットワークである。
The
畳み込みニューラルネットワークは、格子状の構造を持つデータの処理に使われる特殊なニューラルネットワークである。格子状の構造を持つデータの例としては、等時間間隔で取得したサンプルが1次元に配列された時系列データ、又は、ピクセルが2次元に配列された画像データ等である。 A convolutional neural network is a special type of neural network that is used to process data with a lattice structure. Examples of data with a lattice structure include time series data, in which samples taken at equal time intervals are arranged in one dimension, or image data, in which pixels are arranged in two dimensions.
本実施形態における畳み込みニューラルネットワークは、以下のように構成する。損失関数は、バイナリ交差誤差を用いる。最適化手法は、Adamを用いる。このとき、学習率は0.00003に設定する。ミニバッチサイズは16とし、訓練回数は1000回とする。なお、L2正則化もしくはバッチノーマライゼーション等の正則化手法は用いなくともよい。 The convolutional neural network in this embodiment is configured as follows. The loss function uses binary intersection error. The optimization method uses Adam. In this case, the learning rate is set to 0.00003. The mini-batch size is 16, and the number of training times is 1000. Note that regularization methods such as L2 regularization or batch normalization do not need to be used.
ステップS25において、欠陥推定装置2が備えるモデル学習部24は、学習済みの推定モデルをモデル記憶部25に記憶する。
In step S25, the
≪推定方法≫
図7は本実施形態における推定方法の処理手順の一例を示すフローチャートである。
<Estimation method>
FIG. 7 is a flowchart showing an example of a processing procedure of the estimation method according to this embodiment.
ステップS12-1において、温度測定装置1が備える温度測定部12は、推定対象とするCFRP積層体の表面温度を変化させる前に、当該積層体の表面温度を測定する。次に、温度測定部12は、測定した表面温度の分布を表す温度変化前画像を生成する。続いて、温度測定部12は、温度変化前画像を画像生成部13に送る。
In step S12-1, the
ステップS11において、温度測定装置1が備える温度変化部11は、推定対象とするCFRP積層体の温度を変化させる。具体的には、推定対象とするCFRP積層体に、学習処理と同様の固定外力を与える。
In step S11, the
ステップS12-2において、温度測定装置1が備える温度測定部12は、推定対象とするCFRP積層体の表面温度を変化させた後に、当該積層体の表面温度を測定する。次に、温度測定部12は、測定した表面温度の分布を表す温度変化後画像を生成する。続いて、温度測定部12は、温度変化後画像を画像生成部13に送る。
In step S12-2, the
ステップS13において、温度測定装置1が備える画像生成部13は、温度測定部12から温度変化前画像及び温度変化後画像を受け取る。次に、画像生成部13は、温度変化前画像及び温度変化後画像に基づいて、推定対象とするCFRP積層体の表面温度変化を表す温度変化画像を生成する。続いて、画像生成部13は、温度変化画像を欠陥推定装置2に送信する。
In step S13, the
ステップS21において、欠陥推定装置2が備える画像受付部21は、温度測定装置1から推定対象とするCFRP積層体に関する温度変化画像を受信する。次に、画像受付部21は、温度測定装置1から受信した温度変化画像を特徴量計算部23に送る。
In step S21, the
ステップS23において、欠陥推定装置2が備える特徴量計算部23は、画像受付部21から温度変化画像を受け取る。次に、特徴量計算部23は、温度変化画像に基づいて表面主応力和分布を計算する。続いて、特徴量計算部23は、計算した表面主応力和分布をモデル学習部24に送る。
In step S23, the feature
ステップS26において、欠陥推定装置2が備える欠陥位置推定部26は、特徴量計算部23から表面主応力和分布を受け取る。次に、欠陥位置推定部26は、モデル記憶部25から推定モデルを読み出す。続いて、欠陥位置推定部26は、受け取った表面主応力和分布を、読み出した推定モデルに入力することで、推定対象とするCFRP積層体が有する内部欠陥の位置情報の推定値を計算する。そして、欠陥位置推定部26は、内部欠陥の位置情報の推定値を結果出力部27に送る。
In step S26, the defect
ステップS27において、欠陥推定装置2が備える結果出力部27は、欠陥位置推定部26から内部欠陥の位置情報の推定値を受け取る。次に、結果出力部27は、内部欠陥の3次元位置の推定結果を表示装置506等に出力する。当該推定結果は、欠陥位置推定部26が計算した内部欠陥の位置情報の推定値を含む。
In step S27, the
<第1実施形態の効果>
本実施形態における欠陥推定システムは、学習対象とするCFRP積層体の表面主応力和分布を入力とし、内部欠陥の3次元位置を表す位置情報の推定値を出力する推定モデルを学習する。また、本実施形態における欠陥推定システムは、推定対象とするCFRP積層体の表面温度の変化を表す画像に基づく表面主応力和分布を、学習済みの推定モデルに入力することで、当該積層体が有する内部欠陥の3次元位置を推定する。したがって、本実施形態における欠陥推定システムによれば、CFRP積層体が有する内部欠陥の3次元位置を推定することができる。
Effects of the First Embodiment
The defect estimation system in this embodiment learns an estimation model that receives as input the surface principal stress sum distribution of a CFRP laminate to be learned and outputs an estimated value of position information representing the three-dimensional position of an internal defect. The defect estimation system in this embodiment also inputs the surface principal stress sum distribution based on an image representing a change in the surface temperature of the CFRP laminate to be learned into the learned estimation model, thereby estimating the three-dimensional position of an internal defect in the laminate. Therefore, the defect estimation system in this embodiment can estimate the three-dimensional position of an internal defect in a CFRP laminate.
また、本実施形態における位置情報は、CFRP積層体の内部欠陥が存在する層の深さ及び当該層における内部欠陥が存在する範囲を含む。したがって、本実施形態における欠陥推定システムによれば、CFRP積層体が有する内部欠陥の3次元座標及びサイズが精細に推定することができる。 In addition, the position information in this embodiment includes the depth of the layer in which the internal defect of the CFRP laminate exists and the range in which the internal defect exists in that layer. Therefore, the defect estimation system in this embodiment can precisely estimate the three-dimensional coordinates and size of the internal defect in the CFRP laminate.
[第2実施形態]
第1実施形態における欠陥推定装置2は、特徴データとして表面主応力和分布を用いて、推定モデルを学習し、内部欠陥の3次元位置を推定した。第2実施形態における欠陥推定装置2は、特徴データとして表面温度変化分布を用いるように構成する。
[Second embodiment]
The
<欠陥推定システムの機能構成>
本実施形態における特徴量計算部23は、画像受付部21から受け取った温度変化画像に基づいて表面温度変化分布を計算する。第1実施形態における特徴量計算部23は、温度変化画像に基づいて表面温度変化分布を計算し、その表面温度変化分布にケルビンの理論を適用することで、表面主応力和分布を計算した。本実施形態における特徴量計算部23は、ケルビンの理論を適用する前の表面温度変化分布を特徴データとして利用する。
<Functional configuration of the defect estimation system>
The feature
本実施形態におけるモデル学習部24は、位置情報受付部22が受け付けた内部欠陥の位置情報と、特徴量計算部23が計算した表面温度変化分布とを関連付けることで、学習データを生成する。また、本実施形態におけるモデル学習部24は、生成した学習データを用いて、CFRP積層体の表面温度変化分布を入力とし、当該積層体が有する内部欠陥の位置情報の推定値を出力する畳み込みニューラルネットワーク(推定モデル)を学習する。
The
本実施形態における欠陥位置推定部26は、モデル記憶部25から推定モデルを読み出し、特徴量計算部23から受け取った表面温度変化分布を推定モデルに入力することで、推定対象とするCFRP積層体が有する内部欠陥の位置情報の推定値を計算する。
In this embodiment, the defect
<第2実施形態の効果>
本実施形態における欠陥推定システムは、温度変化画像に基づいて計算した表面温度変化分布を用いて、推定モデルを学習し、内部欠陥の位置を推定する。これにより、表面温度変化分布から表面主応力和分布を計算する必要がないため、特徴量計算部23の処理速度が向上する。
Effects of the Second Embodiment
The defect estimation system in this embodiment learns an estimation model using the surface temperature change distribution calculated based on the temperature change image, and estimates the position of an internal defect. This eliminates the need to calculate the surface principal stress sum distribution from the surface temperature change distribution, thereby improving the processing speed of the
[変形例1]
第1実施形態及び第2実施形態では、欠陥推定装置2が、温度測定装置1により生成された温度変化画像から特徴データ(すなわち、表面主応力和分布又は表面温度変化分布)を計算するように構成した。変形例1では、温度測定装置1が温度変化前画像及び温度変化後画像に基づいて特徴データを計算し、欠陥推定装置2に送信するように構成する。
[Modification 1]
In the first and second embodiments, the
以下、本変形例について、第1実施形態との相違点を中心に説明する。なお、本変形例の構成は、第2実施形態に対しても同様に適用することができる。第2実施形態に適用する場合、本変形例中の表面主応力和分布を表面温度変化分布に読み替えればよい。 The following describes this modified example, focusing on the differences from the first embodiment. The configuration of this modified example can also be applied to the second embodiment in the same way. When applied to the second embodiment, the surface principal stress sum distribution in this modified example can be read as the surface temperature change distribution.
<欠陥推定システムの機能構成>
まず、本変形例における欠陥推定システムの機能構成を、図8を参照しながら説明する。図8は本変形例における欠陥推定システムの機能構成の一例を示すブロック図である。
<Functional configuration of the defect estimation system>
First, the functional configuration of the defect estimation system in this modified example will be described with reference to Fig. 8. Fig. 8 is a block diagram showing an example of the functional configuration of the defect estimation system in this modified example.
≪温度測定装置の機能構成≫
図8に示されているように、本変形例における温度測定装置1は、第1実施形態と同様に、温度変化部11及び温度測定部12を備え、特徴量計算部14をさらに備える。なお、本変形例における温度測定装置1は、第1実施形態における温度測定装置1が備えていた画像生成部13を備えない。
<Functional configuration of temperature measuring device>
8, the temperature measuring device 1 in this modification includes a
特徴量計算部14は、温度変化部11がCFRP積層体の表面温度を変化させる前と後に生成された2枚の表面温度画像に基づいて、表面主応力和分布を計算する。また、特徴量計算部14は、計算した表面主応力和分布を欠陥推定装置2に送信する。
The feature
≪欠陥推定装置の機能構成≫
図8に示されているように、本変形例における欠陥推定装置2は、第1実施形態と同様に、位置情報受付部22、モデル学習部24、モデル記憶部25、欠陥位置推定部26及び結果出力部27を備え、画像受付部21の代わりに特徴量受付部31を備える。なお、本変形例における欠陥推定装置2は、第1実施形態における欠陥推定装置2が備えていた特徴量計算部23を備えない。
<Functional configuration of the defect estimation device>
8, the
特徴量受付部31は、温度測定装置1から表面主応力和分布を受信する。特徴量受付部31は、学習対象とするCFRP積層体に関する表面主応力和分布を受信した場合、当該表面主応力和分布をモデル学習部24に送る。また、特徴量受付部31は、推定対象とするCFRP積層体に関する表面主応力和分布を受信した場合、当該表面主応力和分布を欠陥位置推定部26に送る。
The feature
<欠陥推定システムの処理手順>
次に、本変形例における欠陥推定システムが実行する欠陥推定方法の処理手順を、図9及び図10を参照しながら説明する。
<Processing Procedure of Defect Estimation System>
Next, a processing procedure of a defect estimation method executed by the defect estimation system in this modified example will be described with reference to FIGS.
≪学習方法≫
図9は本変形例における学習方法の処理手順の一例を示すフローチャートである。
<How to learn>
FIG. 9 is a flowchart showing an example of a processing procedure of a learning method in this modified example.
ステップS14において、温度測定装置1が備える特徴量計算部14は、温度測定部12から温度変化前画像及び温度変化後画像を受け取る。次に、特徴量計算部14は、温度変化前画像及び温度変化後画像に基づいて、学習対象とするCFRP積層体の表面主応力和分布を計算する。そして、特徴量計算部14は、計算した表面主応力和分布を欠陥推定装置2に送信する。
In step S14, the feature
ステップS31において、欠陥推定装置2が備える特徴量受付部31は、温度測定装置1から学習対象とするCFRP積層体に関する表面主応力和分布を受信する。次に、特徴量受付部31は、温度測定装置1から受信した表面主応力和分布をモデル学習部24に送る。
In step S31, the feature
≪推定方法≫
図10は本変形例における推定方法の処理手順の一例を示すフローチャートである。
<Estimation method>
FIG. 10 is a flowchart showing an example of a processing procedure of the estimation method in this modified example.
ステップS14において、温度測定装置1が備える特徴量計算部14は、温度測定部12から温度変化前画像及び温度変化後画像を受け取る。次に、特徴量計算部14は、温度変化前画像及び温度変化後画像に基づいて、推定対象とするCFRP積層体の表面主応力和分布を計算する。そして、特徴量計算部14は、計算した表面主応力和分布を欠陥推定装置2に送信する。
In step S14, the feature
ステップS31において、欠陥推定装置2が備える特徴量受付部31は、温度測定装置1から推定対象とするCFRP積層体に関する表面主応力和分布を受信する。次に、特徴量受付部31は、温度測定装置1から受信した表面主応力和分布を欠陥位置推定部26に送る。
In step S31, the feature
<変形例1の効果>
本実施形態における欠陥推定システムは、画像取得装置が表面主応力和分布を計算し、欠陥推定装置に送信する。赤外線サーモグラフィから表面主応力和分布を計算するプログラムを搭載可能な画像取得装置は実現している。そのような画像取得装置と組み合わせることで、欠陥推定装置が特徴データを計算する負荷を軽減することができる。
<Effects of Modification 1>
In the defect estimation system of this embodiment, the image acquisition device calculates the surface principal stress sum distribution and transmits it to the defect estimation device. An image acquisition device capable of installing a program for calculating the surface principal stress sum distribution from infrared thermography has been realized. By combining with such an image acquisition device, the load of the defect estimation device for calculating feature data can be reduced.
[第3実施形態]
第1実施形態における欠陥推定装置2は、学習対象とするCFRP積層体の表面温度変化を実際に測定した温度変化画像を用いて学習データを生成した。第3実施形態における欠陥推定装置2は、数値解析により、CFRP積層体の表面温度変化を測定することなく、学習データを生成するように構成する。
[Third embodiment]
The
<欠陥推定システムの機能構成>
本実施形態における欠陥推定システムの機能構成を、図11を参照しながら説明する。図11は本実施形態における欠陥推定システムの機能構成の一例を示すブロック図である。
<Functional configuration of the defect estimation system>
The functional configuration of the defect estimation system in this embodiment will be described with reference to Fig. 11. Fig. 11 is a block diagram showing an example of the functional configuration of the defect estimation system in this embodiment.
図11に示されているように、本実施形態における欠陥推定システムは、第1実施形態における欠陥推定システムと比較して、以下の点が異なる。第1に、欠陥推定装置2が位置情報受付部22を備えない。第2に、欠陥推定装置2が学習データ生成部28を備える。
As shown in FIG. 11, the defect estimation system in this embodiment differs from the defect estimation system in the first embodiment in the following respects. First, the
学習データ生成部28は、有限要素法(Finite Element Method; FEM)に基づく数値解析により、相異なる内部欠陥を有する複数のCFRP積層体における表面主応力和分布をそれぞれ計算する。また、学習データ生成部28は、各CFRP積層体が有する内部欠陥の位置情報と、計算した表面主応力和分布とを関連付けることで、学習データを生成する。さらに、学習データ生成部28は、生成した学習データをモデル学習部24に送る。
The learning
学習データ生成部28は、内部欠陥を有さないCFRP積層体における表面主応力和分布を学習データに含めてもよい。内部欠陥を有さないCFRP積層体に関する学習データを含めることで、内部欠陥が小さい場合の推定精度を向上することができる。
The training
具体的には、学習データ生成部28は、以下のようにして表面主応力和分布を計算する。まず、学習対象とするCFRP積層体を有限要素のメッシュに離散化する。次に、要素剛性マトリックスと等価節点力ベクトルを要素毎に計算する。続いて、要素毎の要素剛性マトリックスと等価節点力ベクトルを全体座標系へ結合する。次に、連立一次方程式を解き、節点変位を計算する。そして、節点変位から要素毎のひずみと応力を計算する。
Specifically, the learning
なお、要素剛性マトリックス及び全体剛性マトリックスは、仮想仕事の原理を節点において離散化することで解くことができる。また、等価節点力ベクトルは、表面応力ベクトルを面積積分することにより導出できる(参考文献2参照)。 The element stiffness matrix and global stiffness matrix can be solved by discretizing the principle of virtual work at the nodes. Also, the equivalent nodal force vector can be derived by integrating the surface stress vector over the area (see Reference 2).
〔参考文献2〕Onate, E. "Structural Analysis with the Finite Element Method", Artes Graficas Torres S.L., 2009. [Reference 2] Onate, E. "Structural Analysis with the Finite Element Method", Artes Graficas Torres S.L., 2009.
<第3実施形態の効果>
本実施形態における欠陥推定システムは、数値解析により生成した学習データを用いて、推定モデルを学習するように構成した。実測により学習データを用意するためには、様々な内部欠陥を有するCFRP積層体を収集し、それぞれについて温度測定装置1で温度変化を測定する必要がある。したがって、学習データの収集に膨大な時間を要する。
<Effects of the Third Embodiment>
The defect estimation system in this embodiment is configured to learn an estimation model using learning data generated by numerical analysis. In order to prepare learning data by actual measurement, it is necessary to collect CFRP laminates having various internal defects and measure the temperature change for each of them with the temperature measuring device 1. Therefore, it takes a huge amount of time to collect the learning data.
数値解析により学習データを生成すれば、CFRP積層体の表面温度変化を実測することなく推定モデルを学習することが可能となる。したがって、本実施形態における欠陥推定装置2によれば、推定モデルを学習するための時間的及び経済的コストを大幅に低減することができる。
By generating learning data through numerical analysis, it is possible to learn an estimation model without actually measuring the surface temperature change of the CFRP laminate. Therefore, the
[試験結果]
一実施形態における欠陥推定システムの性能を評価するために、評価試験を行った。本試験では、第3実施形態で説明した有限要素法に基づく数値解析により、学習対象とするCFRP積層体について表面主応力和分布を計算した。また、推定対象とするCFRP積層体についても、有限要素法に基づく数値解析により、表面主応力和分布を計算した。
[Test results]
An evaluation test was conducted to evaluate the performance of the defect estimation system in one embodiment. In this test, the surface principal stress sum distribution was calculated for a CFRP laminate to be learned by numerical analysis based on the finite element method described in the third embodiment. In addition, the surface principal stress sum distribution was also calculated for a CFRP laminate to be estimated by numerical analysis based on the finite element method.
具体的には、内部欠陥の位置及び大きさが異なる2496個の積層体モデル及び内部欠陥を有さない1個の積層体モデルを用意した。このうち、内部欠陥を有さない1個の積層体モデル及び内部欠陥を有する1996個の積層体モデルを学習データとして用い、残りの500個の積層体モデルを検証データとして用いた。 Specifically, 2,496 stack models with different positions and sizes of internal defects and one stack model with no internal defects were prepared. Of these, one stack model with no internal defects and 1,996 stack models with internal defects were used as training data, and the remaining 500 stack models were used as validation data.
本実験で用いた積層体モデルは、長さ140mm、幅50mm、厚さ2mmで、10層の積層板とした。この積層板において、長さ10~70mm、幅10~50mmの範囲で大きさを変化させ、かつ、中心座標を変化させながら、2層目から9層目のいずれかに内部欠陥が存在する積層体モデルを生成した。 The laminate model used in this experiment was a 10-layer laminate with a length of 140 mm, width of 50 mm, and thickness of 2 mm. The size of this laminate was changed within the range of length 10 to 70 mm and width 10 to 50 mm, and the center coordinates were also changed to generate a laminate model with an internal defect in any of the second to ninth layers.
上記の試験条件において、500組の検証データのうち、497組で内部欠陥の3次元位置を正確に推定した。推定に失敗した3組についても内部欠陥の概形及び層番号をほぼ特定できていた。 Under the above test conditions, the 3D position of the internal defect was accurately estimated for 497 out of 500 sets of validation data. Even for the three sets where estimation failed, the general shape and layer number of the internal defect were able to be roughly identified.
図12は、試験結果を示す図である。図12(A)は、推定に成功した成功例のうち3件を例示した図である。図12(B)は、推定に失敗した失敗例の3件を示した図である。各試験結果において、上段は推定結果であり、下段は正解である。1 channelから8 channelに対応する各矩形は、2層目から9層目における各メッシュの内部欠陥の有無を表している。なお、9 channelは、積層方向の総和が1となるように追加したチャンネルである。薄い領域は内部欠陥があること、濃い領域は内部欠陥がないことを表している。
Figure 12 shows the test results. Figure 12 (A) shows three examples of successful estimation. Figure 12 (B) shows three examples of failure. In each test result, the top row is the estimation result, and the bottom row is the correct answer. Each rectangle corresponding to channel 1 to channel 8 indicates the presence or absence of internal defects in each mesh in
図12(A)に示されているように、成功例では内部欠陥の範囲及び層の深さを正確に推定していることがわかる。図12(B)に示されているように、失敗例であっても概ね内部欠陥の範囲及び層の深さを推定できていることがわかる。 As shown in Figure 12 (A), it can be seen that the range and layer depth of the internal defect were accurately estimated in the successful cases. As shown in Figure 12 (B), it can be seen that even in the unsuccessful cases, the range and layer depth of the internal defect were generally estimated.
[応用例]
上述の実施形態における欠陥推定システムは、CFRPの製造施設又はCFRPを使用した製造物の整備点検施設等で利用することができる。
[Application example]
The defect estimation system in the above-described embodiment can be used in CFRP manufacturing facilities or maintenance and inspection facilities for products using CFRP.
CFRPの製造施設では、プリプレグを積層する際に、層間に異物が混入することにより、不良品が発生するおそれがある。異物混入は外観では判別できないため、超音波測定又は放射線透過法等の非破壊検査により、完成品の全数検査が行われている。しかしながら、上述のように、これらの検査手法は、経済的かつ時間的コストが大きく、生産性を低下させる一因となっている。 In CFRP manufacturing facilities, there is a risk of defective products being produced due to the intrusion of foreign matter between the layers when laminating prepregs. Because the intrusion of foreign matter cannot be detected by appearance, 100% inspection of finished products is carried out using non-destructive testing such as ultrasonic measurement or radiography. However, as mentioned above, these inspection methods are economically and time-consuming and are one of the factors that reduce productivity.
一実施形態における欠陥推定システムは、不良品の一次スクリーニングに利用することができる。すなわち、欠陥推定システムにより完成品全量に対して内部欠陥の推定を行い、内部欠陥の位置が推定された(言い替えると、内部欠陥を有する可能性が高い)完成品のみに対して、従来の非破壊検査を行えばよい。これにより、コストが大きい従来の非破壊検査を実施する回数を大幅に低減することができる。 The defect estimation system in one embodiment can be used for the primary screening of defective products. That is, the defect estimation system estimates internal defects for all finished products, and conventional non-destructive testing is then performed on only those finished products for which the location of internal defects has been estimated (in other words, those products that are highly likely to have internal defects). This makes it possible to significantly reduce the number of times that conventional non-destructive testing, which is costly, is performed.
また、一実施形態における欠陥推定システムによれば、内部欠陥の詳細な三次元位置が推定できるため、従来の非破壊検査において、内部欠陥が存在する可能性が高い位置を重点的に検査すればよい。したがって、一実施形態における欠陥推定システムを、CFRPの製造施設に応用することで、完成品の不良品検査を低コストで実施することが可能となる。 In addition, according to the defect estimation system of one embodiment, the detailed three-dimensional position of the internal defect can be estimated, so that in conventional non-destructive testing, it is only necessary to focus on inspecting positions where there is a high possibility of an internal defect being present. Therefore, by applying the defect estimation system of one embodiment to a CFRP manufacturing facility, it becomes possible to inspect finished products for defects at low cost.
CFRPを使用した製造物では、使用時に発生する震動又は異物の衝突等により、層間剥離、繊維破断、母材割れ等の損傷が発生する。そのため、整備点検施設では、CFRPで形成されたすべての部材に対して、超音波測定等の非破壊検査が行われている。上述のように、超音波測定は、接触部材が必要であり、検査技術者の技量に検査結果が影響される。 Products made using CFRP are subject to damage such as delamination, fiber breakage, and cracking of the base material due to vibrations that occur during use or the impact of foreign objects. For this reason, non-destructive testing such as ultrasonic measurement is performed on all components made of CFRP at maintenance and inspection facilities. As mentioned above, ultrasonic measurement requires a contact part, and the test results are affected by the skill of the inspection technician.
製造施設の場合と同様に、一実施形態における欠陥推定システムにより製造物全体に対して一次検査を行えば、内部欠陥が存在する可能性が高い位置を抽出することができる。また、これにより、超音波検査では、内部欠陥が存在する可能性が高い位置のみを重点的に超音波検査を行えばよい。したがって、一実施形態における欠陥推定システムを、CFRPを使用した製造物の整備点検施設に応用することで、製造物の損傷解析を低コストで実施することが可能となる。 As in the case of a manufacturing facility, if a primary inspection is performed on the entire product using the defect estimation system in one embodiment, it is possible to extract locations where internal defects are likely to exist. This also allows ultrasonic inspection to focus only on locations where internal defects are likely to exist. Therefore, by applying the defect estimation system in one embodiment to a maintenance and inspection facility for products that use CFRP, it becomes possible to perform damage analysis of products at low cost.
[補足]
以上、本発明の実施の形態について詳述したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形又は変更が可能である。
[supplement]
Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and changes are possible within the scope of the gist of the present invention described in the claims.
100 欠陥推定システム
1 温度測定装置
2 欠陥推定装置
3 ユーザ端末
11 温度変化部
12 温度測定部
13 画像生成部
21 画像受付部
22 位置情報受付部
23 特徴量計算部
24 モデル学習部
25 モデル記憶部
26 欠陥位置推定部
27 結果出力部
28 学習データ生成部
31 特徴量受付部
Reference Signs List 100 Defect Estimation System 1
Claims (10)
前記特徴データと内部欠陥の3次元位置を表す位置情報との関係を学習したモデルに、前記特徴量受付部が受け付けた前記特徴データを入力することで、前記積層体が有する前記内部欠陥の3次元位置を推定するように構成された欠陥位置推定部と、
を備え、
前記位置情報は、前記積層体の各層を所定数のメッシュに分割し、前記メッシュそれぞれに前記内部欠陥が存在するか否かを表す情報である、
欠陥推定装置。 a feature amount receiving unit configured to receive input of feature data based on a difference between a temperature distribution before a temperature change occurs on a surface of a fiber-reinforced plastic laminate and a temperature distribution after the temperature change occurs;
a defect position estimation unit configured to estimate a three-dimensional position of the internal defect of the laminate by inputting the feature data accepted by the feature amount acceptance unit into a model that has learned a relationship between the feature data and position information representing a three-dimensional position of an internal defect;
Equipped with
The position information is information obtained by dividing each layer of the laminate into a predetermined number of meshes and indicating whether or not the internal defect exists in each of the meshes.
Defect estimation device.
前記メッシュは、直交等間隔に分割されている、
欠陥推定装置。 The defect estimation device according to claim 1 ,
The mesh is divided into orthogonal equal intervals.
Defect estimation device.
前記メッシュは、所定の位置の近傍領域は細かく、前記近傍領域とは異なる領域は粗く分割されている、
欠陥推定装置。 The defect estimation device according to claim 1 ,
The mesh is divided finely in a region near a predetermined position, and roughly in a region different from the region near the predetermined position.
Defect estimation device.
繊維強化プラスチックの積層体の表面に温度変化が生じる前の温度分布と前記温度変化が生じた後の温度分布との差分に基づく特徴データの入力を受け付ける特徴量受付手順と、
前記特徴データと内部欠陥の3次元位置を表す位置情報との関係を学習したモデルに、前記特徴量受付手順で受け付けた前記特徴データを入力することで、前記積層体が有する前記内部欠陥の3次元位置を推定する欠陥位置推定手順と、
を実行し、
前記位置情報は、前記積層体の各層を所定数のメッシュに分割し、前記メッシュそれぞれに前記内部欠陥が存在するか否かを表す情報である、
欠陥推定方法。 The computer
a feature amount receiving step of receiving an input of feature data based on a difference between a temperature distribution before a temperature change occurs on a surface of the fiber-reinforced plastic laminate and a temperature distribution after the temperature change occurs;
a defect position estimation step of estimating a three-dimensional position of the internal defect in the laminate by inputting the feature data received in the feature amount receiving step into a model that has learned a relationship between the feature data and position information that represents a three-dimensional position of the internal defect;
Run
The position information is information obtained by dividing each layer of the laminate into a predetermined number of meshes and indicating whether or not the internal defect exists in each of the meshes.
Defect estimation methods.
繊維強化プラスチックの積層体の表面に温度変化が生じる前の温度分布と前記温度変化が生じた後の温度分布との差分に基づく特徴データの入力を受け付ける特徴量受付手順と、
前記特徴データと内部欠陥の3次元位置を表す位置情報との関係を学習したモデルに、前記特徴量受付手順で受け付けた前記特徴データを入力することで、前記積層体が有する前記内部欠陥の3次元位置を推定する欠陥位置推定手順と、
を実行させ、
前記位置情報は、前記積層体の各層を所定数のメッシュに分割し、前記メッシュそれぞれに前記内部欠陥が存在するか否かを表す情報である、
プログラム。 On the computer,
a feature amount receiving step of receiving an input of feature data based on a difference between a temperature distribution before a temperature change occurs on a surface of the fiber-reinforced plastic laminate and a temperature distribution after the temperature change occurs;
a defect position estimation step of estimating a three-dimensional position of the internal defect in the laminate by inputting the feature data received in the feature amount receiving step into a model that has learned a relationship between the feature data and position information that represents a three-dimensional position of the internal defect;
Run the command,
The position information is information obtained by dividing each layer of the laminate into a predetermined number of meshes and indicating whether or not the internal defect exists in each of the meshes.
program.
積層体を支持するとともに前記積層体に応力を作用させる支持部と、
前記積層体に応力を作用させる前後の温度とその温度差を測定する温度測定部と、
前記温度差を温度変化画像として画像化する画像生成部と、
前記温度変化画像の温度変化分布から特徴データを計算する特徴量計算部と、
前記温度差の測定、前記温度変化画像の画像化及び前記特徴データの計算を繰り返し実行することで得られた計算結果と前記積層体の各層を所定数のメッシュに分割して前記メッシュそれぞれに前記内部欠陥が存在するか否かを表す位置情報とから、積層体の内部欠陥の推定モデルを作成するモデル学習部と、
前記推定対象積層体の内部欠陥の3次元位置を推定する欠陥位置推定部と、
を備え、
前記支持部に前記推定対象積層体を支持し、
前記温度測定部が、前記推定対象積層体に応力を作用させる前後の温度とその温度差を推定対象積層体温度差として測定し、
前記画像生成部が、前記推定対象積層体温度差を推定対象積層体温度変化画像として画像化し、
前記特徴量計算部が、前記推定対象積層体温度変化画像の温度変化分布から推定対象積層体特徴データを計算し、
前記欠陥位置推定部が、前記推定対象積層体特徴データを前記推定モデルに入力することで前記推定対象積層体の内部欠陥の3次元位置を推定する、
欠陥推定装置。 A defect estimation device that estimates an internal defect of an estimation target laminate by an estimation model generated from a learning target laminate, comprising:
A support portion that supports the laminate and applies stress to the laminate;
a temperature measuring unit for measuring the temperature before and after applying stress to the laminate and the temperature difference therebetween;
an image generating unit that generates an image of the temperature difference as a temperature change image;
a feature amount calculation unit that calculates feature data from a temperature change distribution of the temperature change image;
a model learning unit that creates an estimation model of an internal defect of the laminate from a calculation result obtained by repeatedly executing the measurement of the temperature difference, the imaging of the temperature change image, and the calculation of the feature data, and from position information indicating whether or not the internal defect exists in each of the meshes by dividing each layer of the laminate into a predetermined number of meshes;
A defect position estimation unit that estimates a three-dimensional position of an internal defect of the estimation target laminate;
Equipped with
The estimation target stack is supported on the support portion,
The temperature measuring unit measures the temperatures before and after applying stress to the estimation target laminate and the temperature difference therebetween as an estimation target laminate temperature difference;
the image generating unit visualizes the estimation target stack temperature difference as an estimation target stack temperature change image,
the feature amount calculation unit calculates the estimation target laminate feature data from the temperature change distribution of the estimation target laminate temperature change image,
the defect position estimation unit estimates a three-dimensional position of an internal defect of the estimation target laminate by inputting the estimation target laminate characteristic data to the estimation model;
Defect estimation device.
前記特徴量計算部が計算する前記特徴データは、前記積層体の表面主応力和分布である、
欠陥推定装置。 The defect estimation device according to claim 6,
The feature data calculated by the feature amount calculation unit is a surface principal stress sum distribution of the laminate.
Defect estimation device.
前記特徴量計算部が計算する前記特徴データは、前記積層体の表面温度変化分布である、
欠陥推定装置。 The defect estimation device according to claim 6,
The feature data calculated by the feature amount calculation unit is a surface temperature change distribution of the laminate.
Defect estimation device.
積層体を支持した支持部に応力を作用させる手順と、
前記積層体に応力を作用させる前後の温度とその温度差を測定する手順と、
前記温度差を温度変化画像として画像化する手順と、
前記温度変化画像の温度変化分布から特徴データを計算する手順と、
前記温度差の測定、前記温度変化画像の画像化及び前記特徴データの計算を繰り返し実行することで得られた計算結果と前記積層体の各層を所定数のメッシュに分割して前記メッシュそれぞれに内部欠陥が存在するか否かを表す位置情報とから、積層体の内部欠陥の推定モデルを作成する手順と、
推定対象積層体に応力を作用させる前後の温度とその温度差を推定対象積層体温度差として測定する手順と、
前記推定対象積層体温度差を推定対象積層体温度変化画像として画像化する手順と、
前記推定対象積層体温度変化画像の温度変化分布から推定対象積層体特徴データを計算する手順と、
前記推定対象積層体特徴データを前記推定モデルに入力することで前記推定対象積層体の内部欠陥の3次元位置を推定する手順と、
を実行する欠陥推定方法。 The computer
applying stress to a support portion that supports the laminate;
A procedure for measuring the temperature before and after applying stress to the laminate and the temperature difference therebetween;
imaging the temperature difference as a temperature change image;
calculating feature data from a temperature change distribution of the temperature change image;
a step of creating an estimation model of an internal defect of the laminate from a calculation result obtained by repeatedly performing the measurement of the temperature difference, the imaging of the temperature change image, and the calculation of the feature data, and from position information indicating whether or not an internal defect exists in each of the meshes by dividing each layer of the laminate into a predetermined number of meshes;
A procedure of measuring the temperatures before and after applying stress to the estimation target laminate and the temperature difference therebetween as the estimation target laminate temperature difference;
A step of imaging the estimation target laminate temperature difference as an estimation target laminate temperature change image;
A step of calculating estimation target laminate characteristic data from a temperature change distribution of the estimation target laminate temperature change image;
a step of estimating a three-dimensional position of an internal defect of the estimation target laminate by inputting the estimation target laminate characteristic data into the estimation model;
A defect estimation method that performs
積層体を支持した支持部に応力を作用させる手順と、
前記積層体に応力を作用させる前後の温度とその温度差を測定する手順と、
前記温度差を温度変化画像として画像化する手順と、
前記温度変化画像の温度変化分布から特徴データを計算する手順と、
前記温度差の測定、前記温度変化画像の画像化及び前記特徴データの計算を繰り返し実行することで得られた計算結果と前記積層体の各層を所定数のメッシュに分割して前記メッシュそれぞれに内部欠陥が存在するか否かを表す位置情報とから、積層体の内部欠陥の推定モデルを作成する手順と、
推定対象積層体に応力を作用させる前後の温度とその温度差を推定対象積層体温度差として測定する手順と、
前記推定対象積層体温度差を推定対象積層体温度変化画像として画像化する手順と、
前記推定対象積層体温度変化画像の温度変化分布から推定対象積層体特徴データを計算する手順と、
前記推定対象積層体特徴データを前記推定モデルに入力することで前記推定対象積層体の内部欠陥の3次元位置を推定する手順と、
を実行させるためのプログラム。 On the computer,
applying stress to a support portion that supports the laminate;
A procedure for measuring the temperature before and after applying stress to the laminate and the temperature difference therebetween;
imaging the temperature difference as a temperature change image;
calculating feature data from a temperature change distribution of the temperature change image;
a step of creating an estimation model of an internal defect of the laminate from a calculation result obtained by repeatedly performing the measurement of the temperature difference, the imaging of the temperature change image, and the calculation of the feature data, and from position information indicating whether or not an internal defect exists in each of the meshes by dividing each layer of the laminate into a predetermined number of meshes;
A procedure of measuring the temperatures before and after applying stress to the estimation target laminate and the temperature difference therebetween as the estimation target laminate temperature difference;
A step of imaging the estimation target laminate temperature difference as an estimation target laminate temperature change image;
A step of calculating estimation target laminate characteristic data from a temperature change distribution of the estimation target laminate temperature change image;
a step of estimating a three-dimensional position of an internal defect of the estimation target laminate by inputting the estimation target laminate characteristic data into the estimation model;
A program for executing.
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