WO2015092841A1 - モデル作成方法及び装置、それを用いた検査装置 - Google Patents

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analysis
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裕久 溝田
永島　良昭
和之 中畑
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株式会社日立製作所
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    • G01N29/4472—Mathematical theories or simulation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01N23/20—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by using diffraction of the radiation by the materials, e.g. for investigating crystal structure; by using scattering of the radiation by the materials, e.g. for investigating non-crystalline materials; by using reflection of the radiation by the materials
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    • G06F2111/00—Details relating to CAD techniques
    • G06F2111/10—Numerical modelling

Definitions

  • the present invention relates to elastic wave propagation analysis technology, and relates to a model creation method and apparatus, and an inspection apparatus using the model creation method and apparatus.
  • acoustic anisotropy occurs when the molten metal crystallizes and contains a large amount of material with a coarse crystal grain size, or when metal crystal grains grow in a specific direction. It is known that the physical properties of the material greatly affect the inspection or measurement result when the material having the above is targeted. A material having coarse crystal grains is strongly affected by scattering depending on the wavelength of the ultrasonic wave, and the transmission of the ultrasonic wave is deteriorated. For this reason, it is necessary to use ultrasonic waves having a wavelength that is sufficiently longer than the average grain size and difficult to be scattered by crystal grains.
  • a unidirectional solidified material As a member having such crystallinity and having a great influence on material properties, a unidirectional solidified material, a metal welded portion, and the like can be given.
  • the unidirectionally solidified material is structured by elongated crystal grains (columnar crystals), and the crystal structure of each columnar crystal is the same.
  • each columnar crystal at the time of solidification is generally aligned in one direction, but the crystal orientation of each columnar crystal in the one direction is random.
  • the crystal orientation of the entire columnar crystal is averaged, it is a material in which only the crystal axes in the longitudinal direction of the crystal grains are aligned.
  • the metal welded portion crystallizes in the process of melting and solidifying the metal, has a relatively large crystal grain size, and tends to grow in the vertical direction as it approaches the center of the welded portion. Therefore, although it can be regarded locally as a unidirectional solidified material, the solidified structure has a different crystal growth direction as a whole. Furthermore, a structure having a welded portion is divided into a region having acoustic anisotropy and a region having acoustic isotropy, considering that an acoustically isotropic general metal whose sound speed does not depend on the propagation direction is joined. It is a structure. Therefore, it is important to improve the reliability of the output result by performing inspection or measurement in consideration of the crystal state of the acoustic anisotropic region, the acoustic isotropic region, and the anisotropic region.
  • Patent Document 1 describes that a welded part is divided into a plurality of large regions, and a model having information on the crystal structure and crystal growth direction is created for each region. Using this created model, a high-accuracy model can be obtained by modifying the weld model so that the difference between the calculated flaw detection signal, which is an ultrasonic flaw detection signal calculated by simulation, and the actually measured flaw detection signal is reduced. A method of generating is described.
  • Patent Document 1 a region of a welded portion is largely divided, and a model is created using an average crystal growth direction of columnar crystals existing in each divided region.
  • a model is created using an average crystal growth direction of columnar crystals existing in each divided region.
  • crystal growth is not possible in a macroscopic structure as an aggregate of columnar crystals. It is approximated by a hexagonal single crystal having the highest rotational symmetry with the direction as the axis.
  • hexagonal approximation there are many cases where the sound speed of the ultrasonic wave transmitted through the subject cannot be accurately reproduced.
  • the defect position cannot be accurately imaged. Therefore, in order to predict ultrasonic propagation phenomena and scattering phenomena in welds with high accuracy, or to output inspection results with high accuracy based on the predicted data, the crystalline state is higher than with the conventional hexagonal approximate model. Need to be modeled closely.
  • the present invention is to provide an analysis model creation method capable of easily and quickly creating an accurate analysis model for a structure having a crystalline material.
  • the present invention is a method of creating a model of an analysis region used for numerical analysis, and the crystal growth direction is determined if the analysis region is a region having crystallinity having acoustic anisotropy. Selecting, partial image data reflecting the crystallinity of the region, rotating the partial image data in accordance with the crystal growth direction, and rotating the partial image It is characterized by having a step of creating image data by laying out in an area designated using image data.
  • an accurate analysis model can be easily and quickly created for a structure having a crystalline material.
  • Flow diagram showing how to create a model Flow chart showing crystallinity imparting part in model creation flow Functional block diagram showing the overall configuration of the device
  • Auxiliary diagram showing inspection system for unidirectionally solidified material Auxiliary diagram showing approximate model of unidirectional solidified material
  • Auxiliary diagram showing a cross section of ultrasonic inspection of unidirectional solidified material Auxiliary diagram showing an example of measurement results of unidirectionally solidified material by EBSD measurement
  • sample space created from EBSD measurement results Auxiliary diagram showing an example of model creation when the crystal growth direction matches the Z-axis direction
  • Auxiliary diagram showing how to create a model of unidirectional solidified material Auxiliary diagram showing areas of weld model
  • FIG. 1 shows a flow for creating a model shape and assigning characteristics to the created model.
  • S000 to S005 are indispensable flows when creating a model shape.
  • S006 to S013 are flows for assigning characteristics to the entire model using local image data.
  • S014 is a step assuming ultrasonic propagation simulation, inspection image reconstruction, and ultrasonic measurement support using the model created in the present invention. Details are described below.
  • model creation starts.
  • the object (shape) creation area is initialized, and in S002, a command is selected.
  • command selection a file input command 1 for reading, for example, CAD data as existing shape data from the shape DB 31, a basic object creation command 2 for generating a basic object for generating a shape, and a portion for transforming or moving the generated object portion
  • transformation / movement operation command 3 an overall transformation / movement operation command 4 for transforming / moving the entire generated object, a reset command 5 for resetting the created object, and a save / termination command 6 for performing saving or termination.
  • a save / termination command 6 for performing saving or termination.
  • the display is updated in S003, and it is determined whether the object updated in S004 is a desired one. If it is correct, the result is output and stored in S005. If incomplete or incorrect, the process returns to S002 command selection.
  • step S007 the object area information is initialized.
  • step S008 as a property check of the created object, whether or not a member having acoustic anisotropy (a crystalline material member) or a high attenuation material is included is checked.
  • S008 may be used for command activation / deactivation in the command selection of S009.
  • the command is generally surrounded by the boundary condition setting command 7 that creates the boundary of different materials and properties and specifies the boundary characteristics (absorption boundary, reflection boundary, etc.).
  • An area setting command 8 for designating and inputting basic material data in the selected area a reset command 9 for resetting information, an ending / saving command 10 for ending and saving, and a command 11 for returning to editing an object that can return to S002 and edit an object It would be nice to have
  • the basic material data in the area surrounded by the boundary, it is preferable to read the basic material data from the storage area or to enable manual input using a keyboard or the like.
  • basic material data in the case of an isotropic material, for example, in the case of a material name / density / longitudinal sound velocity and shear wave velocity / anisotropy region, for example, there is a material name / density / stiffness constant. Good.
  • material stiffness constants an existing database may be consulted for known materials. In the case of a polycrystal such as a unidirectional solidified material, it is often a material that does not exist in the existing database.
  • a resonance spectrum is obtained by an electromagnetic ultrasonic resonance method using a test piece of the same material in advance.
  • the stiffness spectrum may be obtained by inverse analysis of the resonance spectrum. Alternatively, the stiffness constant may be calculated theoretically by first-principles calculation.
  • there is a global crystal growth direction designation command 12 that allows a global crystal growth direction to be input to a region having crystallinity in the region.
  • a destructive means cross-sectional observation in which a structure is cut and a cross-section is observed is mainly performed.
  • Non-patent Document 1 a method for theoretically obtaining a crystal growth direction based on Ogilvy's equation
  • Non-Patent Document 2 a technique for obtaining a solidification phenomenon by simulation using a phase field method is known, and these may be used for image data.
  • an image data use region setting command 13 for designating a region for using image data such as EBSP data (Electron Backscatter Diffraction Pattern) or etching data (photograph) is newly saved from the image DB 38 of the storage region in the image DB 38.
  • image selection command 14 for selecting an image suitable for a region from various images
  • image operation command 15 for enabling the selected image to be operated based on global crystal growth direction data.
  • the stiffness constant in each mesh was obtained by obtaining the Euler angle based on the crystal plane index indicated by the color of the corresponding image data.
  • the rotation matrix corresponding to the Euler angle may be calculated by multiplying the stiffness constant of the basic material data described above.
  • the model in FIG. 9 may be created after reading the color information of the pixel by reversing the order of image data generation and pixel processing and calculating the stiffness constant corresponding to each pixel. This means that FEM, ray tracing, etc. are executed on the created model.
  • FEM, ray tracing, etc. are executed on the created model.
  • S100 use of image data is started.
  • S101 a divided area is selected.
  • S102 it is determined whether image data is used for the selected area. If image data is to be used, image data that closely matches the area in the storage area of FIG. 1 is selected in S103.
  • the optimal image is an image in which the crystal grain size and the crystal plane index of each crystal grain are known from the EBSD measurement result.
  • S104 the global (average) crystal growth direction of the selected region is set.
  • operations such as enlargement / reduction, translation, rotation, deformation, copying, and laying are performed on the selected image.
  • step S106 it is determined whether or not the image data has been used for all the areas in which the image data is used.
  • step S107 the use of the image data is ended. Even when the image data is not used in S102, the use of the image data is ended in S107.
  • FIG. 3 shows an inspection apparatus equipped with a model creation apparatus that can implement the model generation method described above.
  • the basic device components include an image data capturing device 32 that captures crystal state image data, a processing device 33 that creates detailed models used in various analyzes, various analysis devices 34 that use the created models, and various types of information. It is composed of six devices: a storage device 35, a display 36 (display) for displaying the created data, and an input device 37 for inputting various information.
  • the image data capturing device 32 has a function of, for example, reading an image file obtained by EBSD measurement of a metal surface and storing it in the image DB 38 of the storage device.
  • the processing device 33 has a function of defining an analysis area necessary for numerical analysis.
  • the sensor structure in order to define the analysis region, the sensor structure, the contact medium such as the wedge, the shape and properties of the subject etc. are used as input information to create boundary conditions, and the analysis region is divided into meshes.
  • it mainly has a shape editing function 39, a material constant assigning function 40 to an area, an image data editing function 41, an image data analysis / processing function 42, and a mesh generation function 43.
  • the shape editing function 39 is a processing unit that performs the processing of S000 to S005 in this embodiment.
  • the image data editing function 41 is a processing unit that performs the processes of S006 to S014 in this embodiment.
  • the mesh generation function 43 divides the image data spread with the image data created above into a plurality of small pieces of mesh, and generates a mesh so that the image data can be handled in units of small pieces. It is.
  • the image data analysis / processing function 42 is a processing unit that reads the color information of the corresponding pixel of each mesh and obtains the crystal plane index and Euler angle from the color and shading of the pixel.
  • the material constant assigning function 40 to the region calculates the material constant by applying the rotation matrix corresponding to the obtained Euler angle to the stiffness constant of the basic material data, and calculates the material characteristics for each mesh corresponding to the image data utilization region.
  • a processing unit that assigns and creates an object model used for various analyses. Note that when the image data analysis / processing function 42 reads pixel color information, a plurality of pieces of color information may be included depending on the size of the mesh to be generated. In this case, a processing method such as adopting color information having the highest ratio among the color information included in the mesh, or replacing the color information with the mesh around the mesh is conceivable.
  • the various analysis devices 34 have a function of performing an ultrasonic propagation simulation using, for example, a finite element method or a ray trace analysis method using a model generated by utilizing image data.
  • the various analysis devices 34 have a finite element method processing function 44 and a ray trace analysis function 45.
  • the storage device 35 stores a shape DB 31 that stores the basic shape of the subject, and a material DB 46 that stores material data (density, stiffness coefficient, particle size distribution, metal crystal type) that constitutes the subject.
  • an image DB 38 for storing image data such as EBSD measurement and optical photographing. Further, it also has a creation data storage DB 47 that stores the created data.
  • the display unit 36 is used to display the result of analysis by the finite element method, the ray tracing method, or the like, using the created model in order to visualize the edited and created model.
  • FIG. 4 shows an ultrasonic inspection system suitable for using the model generation method and apparatus described above.
  • the unidirectional solidified material 51 of the nickel-based alloy is inspected using the array sensor 50.
  • a surface surrounded by a dotted line is an ultrasonic wave propagation surface.
  • the conventional modeling method for the unidirectionally solidified material 51 of the nickel base alloy is such that the crystal axes of the columnar crystals belonging to the cubic crystal are randomly distributed except in the Z-axis direction.
  • the global crystal growth direction of the specimen in FIG. 4 is the Z-axis direction and that an ultrasonic inspection is performed using the array sensor 50 in the YZ plane, as shown in FIG.
  • the longitudinal directions of the columnar crystals are arranged substantially in the Z-axis direction.
  • the entire cross section parallel to the YZ plane is not measured by EBSD, but for example, a nickel base corresponding to a range including a certain degree of crystal grain and crystal plane orientation distribution is used.
  • a unidirectional solidified alloy sample is prepared in advance, and EBSD measurement is performed on a region corresponding to the propagation surface.
  • FIG. 1 A schematic diagram of the result of EBSD measurement is shown in FIG.
  • the image color of the EBSD measurement result corresponds to the crystal plane index.
  • a region that well represents the characteristics of the unidirectional solidified material is defined as a sample space A53. It is preferable to specify the sample space using the input device 37 and store the specified image data as shown in FIG. 8 in the image DB 38. If it is known that the crystal growth direction of the unidirectionally solidified material is the Z-axis direction as in this case, the sample space A53 is repeatedly translated and copied in accordance with the global crystal growth direction as shown in FIG. By laying down in the sample space A53, a cross-sectional model of the unidirectional solidified material can be created.
  • a model creation method in the case where the crystal growth direction of the unidirectionally solidified material in FIG. 4 is unknown will be described with reference to FIG.
  • the image data of the EBSD measurement result may be rotated and spread according to the global crystal growth direction to create a model.
  • the macroscopic crystal growth direction of the unidirectional solidified material is obtained non-destructively by ultrasonic measurement described in (PCT / JP2013 / 076180), and the model creation method of the present invention is applied to thereby obtain the unidirectional solidified material. Can be accurately modeled.
  • ⁇ Set a calculation area, generate a mesh, define lattice points and surfaces, and assign characteristics to the model created in this way.
  • a mesh is generated by setting a calculation area for an image laid out with image data as the EBSD measurement result shown in FIG.
  • color information is read from the image data, the Euler angle is calculated based on the crystal plane index indicated by the color of the corresponding image data, and the rotation matrix corresponding to the obtained Euler angle is used as the stiffness constant of the basic material data described above. Calculate by multiplying. This makes it possible to create an object model to which the material properties of the weld used for various analyzes are given.
  • each crystal orientation of each columnar crystal is highly accurate, simple, and quickly.
  • a reflected model can be created.
  • the welded portion is assumed to be composed of regions A, B, and C.
  • the region A is a weld portion of the above-described nickel-based alloy
  • the region B is SUS containing large crystalline impurities
  • the region C is SUS (isotropic material) having a known material constant.
  • the sample space B in the region B is as shown in FIG. 12, and the density / stiffness constant in the sample space can be calculated.
  • the global change in the crystal growth direction in the weld can be determined using the method described in Non-Patent Document 1.
  • the change in the crystal growth direction in the region A is approximated by a curve using a tangent function, but by dividing into a large number of regions, the global crystal growth direction in each region can be linearly approximated.
  • the model shown in FIG. 13 can be created by using the flows shown in FIGS.
  • the sample spaces A are spread after being rotated according to the crystal growth directions.
  • the region B a sample space B reflecting a material containing large crystalline impurities is spread.
  • the region C since it is an isotropic material, the same material constant is given.
  • images can be arbitrarily transformed and spread into a distorted space by general coordinate transformation or the like as shown in FIG. It is also possible to create a mesh after building a model with.
  • ⁇ Set a calculation area, generate a mesh, define lattice points and surfaces, and assign characteristics to the model created in this way.
  • a mesh is generated by setting a calculation area for an image laid out with image data that is the EBSD measurement result shown in FIG.
  • color information is read from the image data, the Euler angle is calculated based on the crystal plane index indicated by the color of the corresponding image data, and the rotation matrix corresponding to the obtained Euler angle is used as the stiffness constant of the basic material data described above. Calculate by multiplying. This makes it possible to create an object model to which the material properties of the weld used for various analyzes are given.
  • a model can be created by a simpler method for a structure constituted by a plurality of members.
  • the procedure for creating EBSP data of other materials using one EBSP data will be described with reference to FIG.
  • the particle size distribution of the unidirectional solidified material X and the unidirectional solidified material Y is known. If only the particle size distribution in the crystal growth direction is Y1 / X1 times longer than X, and the particle size distribution in the direction perpendicular to the crystal growth direction is the same, the EBSD measurement result for the unidirectional solidified material X
  • the image data obtained by enlarging the image data Y1 in the crystal growth direction by Y1 / X1 times is used as the Y EBSD measurement result.
  • the Euler angle data may be obtained by multiplying the Y stiffness constant by a rotation matrix using the Euler angle in X.
  • this invention is not limited to the above-mentioned Example, Various modifications are included.
  • the above-described embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described.
  • a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment.
  • Shape DB 32 Image data capture device 33: Processing device 34: Various analysis devices 35: Storage device 36: Display device 37: Input device 38: Image DB 39: Shape editing function 40: Material constant assignment function 41: Image data editing function 42: Image data analysis / processing function 43: Mesh generation function 44: Finite element method processing function 45: Ray trace analysis function 46: Material DB 47: Creation data storage DB 50: Array sensor 51: Nickel-based alloy unidirectional solidified material 52: EBSD measurement region 53: Sample space A 101: Crystal growth direction

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Abstract

　本発明は、結晶性材料を有する構造物に対し、精確な解析モデルを簡便かつ迅速に作成できる解析モデル作成方法を提供することである。上記の課題を解決するために、本発明は、数値解析に用いる解析領域のモデル作成方法であって、解析領域のうち、音響異方性を有する結晶性を有する領域であれば結晶成長方向を指定するステップと、前記領域の結晶性を反映した部分的なイメージデータを選択するステップと、前記結晶成長方向に合わせて前記部分的なイメージデータを回転操作するステップと、前記回転した部分的なイメージデータを用いて指定した領域中に敷き詰めてイメージデータを作成するステップを有することを特徴とする。

Description

モデル作成方法及び装置、それを用いた検査装置
　本発明は、弾性波の伝搬解析技術に関わり、モデル作成方法及び装置、それを用いた検査装置に関する。
　超音波を用いた構造物の検査又は計測において、溶融した金属が結晶化し結晶粒径が粗いものを多く含む材料や、金属の結晶粒が特定の方向に揃って成長することで音響異方性を有する材料を対象とする場合には、材料物性が検査又は計測結果に大きく影響することが知られている。結晶粒が粗い材料では、超音波の波長によっては散乱の影響を強く受け、超音波の透過性が悪くなる。このため、平均粒径よりも十分長く結晶粒で散乱されにくい波長の超音波を用いる必要がある。音響異方性を有する材料では、例えば等方性近似して超音波検査画像を出力した場合、伝搬方向に依存する音速を正しく検査画像に反映できないため、位置精度などが低下する恐れがある。このため、超音波の伝わる方向に依存する音速を求めて超音波検査画像を出力する必要がある。
　このような結晶性を有することで材料物性の影響が大きい部材として、一方向凝固材や金属溶接部などが挙げられる。一方向凝固材は、細長い結晶粒（柱状晶）で組織されており、各柱状晶の結晶構造は同一である。しかし、凝固する際の各柱状晶は概ね一方向を向いて揃うが、その一方向内での各柱状晶の結晶方位はランダムである。ただし、柱状晶全体の結晶方位を平均化すれば、概ね結晶粒の長手方向の結晶軸のみ揃っている材料である。金属溶接部は、金属を溶融して固化する過程で金属が結晶化し、比較的大きな結晶粒径を持つとともに、溶接部中央に近づくほど垂直方向に結晶成長する傾向がある。したがって、局所的には一方向凝固材とみなすことができるが、全体的には結晶成長方向が異なる凝固組織となっている。さらに溶接部を有する構造物は、音速が伝搬方向に依存しない音響的に等方な一般の金属を接合することを考えれば、音響異方性を有する領域と音響等方性の領域に分かれている構造物である。従って、音響異方性領域や音響等方性領域および異方性領域の結晶状態を考慮して検査又は計測をすることにより、出力結果の信頼性を向上させることは重要である。
　これらは、超音波を用いた検査や計測が比較的困難な材料や部材として知られており、数値解析による超音波伝搬現象の解明が盛んに成されている。信頼性の高いシミュレーション結果を出力するためには、構造物の結晶状態（結晶粒の分布や各結晶粒の結晶方位）を考慮した精確なモデルを生成することが重要となる。
　特許文献１では、溶接部を複数の大きな領域に分割し、該領域毎に結晶構造および結晶成長方向の情報を有するモデルを作成することが記載されている。この作成したモデルを用い、シミュレーションにより算出された超音波探傷信号である演算探傷信号と、実測した超音波探傷信号の差が小さくなるように、溶接部モデルを修正することにより、精度の高いモデルを生成する方法が記載されている。
特開２０１２－１１２６５８号公報
Ｊ．Ａ．Ｏｇｉｌｖｙ、Ｃｏｍｐｕｔｅｒｉｚｅｄ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｒａｙ ｔｒａｃｉｎｇ ｉｎ ａｕｓｔｅｎｉｔｉｃ ｓｔｅｅｌ、ＮＤＴ ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ．ＶｏＬ １８．Ｎｏ ２．ＡＰＲＩＬ １９８５ 小山敏幸、フェーズフィールド法に基づく組織形成シミュレーションとその材料開発への応用、日本金属学会誌第７３巻第１２号（２００９）８９１―９０５
　特許文献１では、溶接部の領域を大きく分割し、分割された領域毎に存在する柱状晶の平均的な結晶成長方向を用いてモデルを作成している。一般に、このような平均的な結晶成長方向に着目してモデルを作成する場合、ミクロな各柱状晶は立方晶系に属していても、柱状晶の集合体としてのマクロな組織では、結晶成長方向を軸とし最も回転対称性の高い六方晶の単結晶で近似している。六方晶近似の場合、被検体中を伝わる超音波の音速を精確に再現できないケースが多く、例えば検査であれば欠陥位置を精確に画像化できないということがある。このため、溶接部における超音波の伝搬現象や散乱現象を高精度で予測する、あるいは予測したデータに基づき同じく高精度で検査結果を出力するには、従来の六方晶近似モデルよりも、結晶状態を緻密にモデル化する必要があった。
　また、単に緻密にモデル化するだけなら、ＥＢＳＤ測定（Electron Backscattering Diffraction）によって得ることも可能だが、広範囲のＥＢＳＤ測定を実施して精確な解析モデルを作成するには、試験片を準備し、超音波を伝搬させる面、あるいは、超音波伝搬シミュレーションを実施する面で切断し、切断面に対して時間及び費用をかけてＥＢＳＤ測定等を実施する必要がある。このため、短時間で費用をかけずに精確な解析モデルを作成することが困難であった。
　そこで本発明は、結晶性材料を有する構造物に対し、精確な解析モデルを簡便かつ迅速に作成できる解析モデル作成方法を提供することである。
　上記の課題を解決するために、本発明は、数値解析に用いる解析領域のモデル作成方法であって、解析領域のうち、音響異方性を有する結晶性を有する領域であれば結晶成長方向を指定するステップと、前記領域の結晶性を反映した部分的なイメージデータを選択するステップと、前記結晶成長方向に合わせて前記部分的なイメージデータを回転操作するステップと、前記回転した部分的なイメージデータを用いて指定した領域中に敷き詰めてイメージデータを作成するステップを有することを特徴とする。
　本発明によれば、結晶性材料を有する構造物に対し、精確な解析モデルを簡便かつ迅速に作成することが可能となる。
モデル作成方法を示すフロー図 モデル作成フローにおける結晶性付与の部分を示すフロー図 装置の全体構成を表した機能ブロック図 一方向凝固材の検査体系を示す補助図 一方向凝固材の近似モデルを示す補助図 一方向凝固材の超音波検査断面を示す補助図 ＥＢＳＤ測定による一方向凝固材の測定結果例を示す補助図 ＥＢＳＤ測定結果から作成したサンプル空間を示す補助図 結晶成長方向がＺ軸方向と一致する場合のモデル作成例を示す補助図 一方向凝固材のモデル作成方法を示す補助図 溶接部モデルの領域を示す補助図 ＥＢＳＤ測定結果から作成したサンプル空間を示す補助図 溶接部のモデル作成例を示す補助図 イメージデータの座標変換を示す説明図 粒径分布データに基づくＥＢＳＰデータ生成方法を示す説明図
　以下、本発明の各実施例について図面を用いて説明する。
　超音波伝搬現象を解明するためのシミュレーション技術、超音波計測波形を用いた逆解析による検査画像再構成技術、超音波検査条件策定支援などで利用する、精確な解析モデルを提供するためには、モデル形状の作成と、作成したモデルへの特性付与が必須となる。モデル形状の作成と、作成したモデルへの特性付与を実施するフローを図１に示す。Ｓ０００～Ｓ００５は、モデル形状を作成するときに必須となるフローである。Ｓ００６～Ｓ０１３は、局所的なイメージデータを用いてモデル全体に特性を付与するためのフローである。Ｓ０１４は、本発明で作成したモデルを用いた超音波伝搬シミュレーション、検査画像再構成、超音波計測支援を想定したステップである。以下、詳細を記述する。
　Ｓ０００で、モデル作成を開始する。Ｓ００１で、オブジェクト（形状）作成領域の初期化を実施し、Ｓ００２で、コマンド選択をする。コマンド選択では、形状ＤＢ３１から既存の形状データとして例えばＣＡＤデータを読み込むファイル入力コマンド１、形状を生成するための基本オブジェクト生成する基本オブジェクト作成コマンド２、生成したオブジェクトの部分を変形又は移動操作する部分変形・移動操作コマンド３、生成したオブジェクトの全体を変形又は移動操作する全体変形・移動操作コマンド４、あるいは作成したオブジェクトをリセットするリセットコマンド５、保存又は終了を実施する保存・終了コマンド６があると良い。各コマンドの選択及び実施後には、Ｓ００３で、表示を更新し、Ｓ００４で更新されたオブジェクトが所望のものかを判断する。正しければ、Ｓ００５で結果を出力及び保存をする。未完成の場合又は正しくない場合は、Ｓ００２のコマンド選択に戻る。
　Ｓ００６で作成したオブジェクトへの特性の付与を開始する。Ｓ００７でオブジェクト領域の情報を初期化する。Ｓ００８で、作成したオブジェクトの特性チェックとして、音響異方性を有する部材（結晶性材料の部材）や高減衰材料などが含まれるかなどをチェックする。Ｓ００８はＳ００９のコマンド選択において、コマンドのアクティブ化・非アクティブ化に利用すると良い。コマンドには、一般に特性を付与する場合に必要とされる、材料や性質の異なる境界を作成し、境界の特性（吸収境界・反射境界など）を指定する境界条件設定コマンド７、境界で囲まれた領域に基本材料データを指定及び入力する領域設定コマンド８、情報をリセットするリセットコマンド９、終了及び保存を実施する終了／保存コマンド１０、Ｓ００２へ戻りオブジェクトを編集できるオブジェクトの編集へ戻るコマンド１１などがあると良い。
　境界で囲まれた領域への基本材料データの設定には、記憶領域から基本材料データを読み込む、あるいはキーボード等を用いて手入力可能にしておくと良い。基本材料データとしては、等方性材料の場合においては、例えば材料名・密度・縦波音速と横波音速、異方性を有する領域の場合においては、例えば材料名・密度・スティフネス定数があればよい。材料のスティフネス定数は、既知の材料の場合には既存のデータベースを参照すると良い。一方向凝固材のような多結晶体の場合は、既存のデータベースに無い材料である場合が多く、この時は、予め同一の材料の試験片を用いて電磁超音波共鳴法により共鳴スペクトルを求め、共鳴スペクトルを逆解析してスティフネス定数を求めておくと良い。あるいは、第一原理計算により理論的にスティフネス定数を求めておくと良い。加えて、領域のうち結晶性を有する場所に大域的な結晶成長方向を入力できる大域的結晶成長方向指定コマンド１２がある。大域的な結晶成長方向を求めるには、予め試験片を準備して破壊的手段で求めるか、非破壊的手段で求めると良い。破壊的手段としては、構造物を切断して断面を観察する断面観察が主として実施される。断面を研磨及びエッチング後、光学的撮像手段で写真撮影することにより、粒径分布などが分かる。Ｘ線回折パターンからはマクロな結晶成長方向が分かる。非破壊的手段としては、Ｏｇｉｌｖｙの式に基づき結晶成長方向を理論的に求める手法（非特許文献１）や、集束超音波計測によるマクロな結晶成長方向を算出する手法（ＰＣＴ／ＪＰ２０１３／０７６１８０）や、フェーズフィールド法によるシミュレーションで凝固現象を求める手法（非特許文献２）が知られておりこれらをイメージデータに用いてもよい。
　そして、本発明では新たに記憶領域のイメージＤＢ３８からＥＢＳＰデータ（Electron Backscatter Diffraction Pattern）やエッチングデータ（写真）などの画像データを利用する領域を指定するイメージデータ利用領域設定コマンド１３、イメージＤＢ３８に保存されている各種イメージから、領域に適したイメージを選択するイメージ選択コマンド１４、選択したイメージを大域的な結晶成長方向のデータに基づき操作することを可能とするイメージ操作コマンド１５などがある。各コマンドの選択及び実施後には、Ｓ０１０で、イメージデータを利用した視覚情報や各領域の特性情報を更新し、Ｓ０１１で更新されたオブジェクトおよびその特性が所望のものかを判断する。正しければ、Ｓ０１２で結果を出力及び保存し、Ｓ０１３で、数値解析に必要な格子の生成を実施する。格子生成には、計算領域を設定し、メッシュを生成し、格子点や面を定義し特性を付与すると良い。
　スティフネス定数を付与する際に利用するイメージデータとしては、ＥＢＳＤ測定により生成されたイメージデータを用いるのが好適である。ＥＢＳＤ測定結果で示されるイメージデータのカラーは結晶面指数と関係づけられているので、各メッシュにおけるスティフネス定数は、該当するイメージデータのカラーが示す結晶面指数に基づいてオイラー角を求め、求めたオイラー角に相当する回転行列を先述の基本材料データのスティフネス定数にかけることにより算出すると良い。なお、一方向凝固材の場合、結晶粒分布を示す写真画像の濃淡に適当に結晶面情報を付与させることにより、ＥＢＳＤ測定結果を擬似的に作成することが可能である。Ｓ０１１で更新されたオブジェクトおよびその特性が未完成の場合又は正しくない場合、Ｓ００９のコマンド選択に戻る。当然、Ｓ００８で音響異方性を有する部材が無い場合は、Ｓ０１３の格子生成、Ｓ０１４の解析条件の設定へと進むと良い。
　具体的には、試験片１０×１０×１０ｍｍを採取し、超音波を伝搬させる面について超音波の波長と結晶粒の大きさよりも十分小さなピッチ（例えば０．０１ｍｍ）でＥＢＳＤ測定を実施する。イメージデータを図９のように並べて検査領域に相当するイメージデータを作成する。そして、前述のピッチを１画素あるいは１メッシュ（０．０１×０．０１ｍｍ）としてイメージの処理を実施して画素のカラー情報を読み取り、この画素のカラーや濃淡から結晶面指数とオイラー角を求めて、このオイラー角をスティフネス定数に反映させる。なお、イメージデータ上のカラー情報は結晶面指数と対応しているため、カラー情報を基に対応するオイラー角が分かるという仕組みである。当然、イメージデータの生成と画素の処理の順番を逆にして画素のカラー情報を読み取り、各画素に相当するスティフネス定数も算出した上で、図９におけるモデルを作成しても良い。作成したモデル上でＦＥＭやレイトレース等を実行するということになる。例えば、超音波を利用した検査装置（ＰＣＴ／ＪＰ２０１３／０７６１８０）におけるモデル作成部分において、本発明のモデル作成方法を適用することにより、超音波の検査画像再構成が精度良く実施できる。
　図１の全体モデル化フローのうち結晶性の付与部分Ｓ００６～Ｓ０１４で、特にイメージデータを利用するフローについて、図２を用いて説明する。Ｓ１００で、イメージデータの利用を開始する。Ｓ１０１で、分割されたある領域を選択し、Ｓ１０２で、選択した領域にイメージデータを用いるかを判断する。イメージデータを用いる場合は、Ｓ１０３で、図１の記憶領域にある領域とよく一致するイメージデータを選択する。最適なイメージとしては、ＥＢＳＤ測定結果により結晶粒径および各結晶粒の結晶面指数が判明しているイメージである。Ｓ１０４で、選択した領域の大域的な（平均的な）結晶成長方向を設定し、Ｓ１０５で、選択したイメージに対し、イメージを拡大・縮小、並進、回転、変形、コピー、敷き詰めなどの操作を実施し、選択した領域のイメージデータを生成する。これら操作は、拡大・縮小コマンド２１、並進コマンド２２、回転コマンド２３、変形コマンド２４、コピーコマンド２５、敷き詰めコマンド２６を用いて行なう。Ｓ１０６で、イメージデータを利用する領域全てで完了したかどうかを判断し、Ｓ１０７で、完了した場合は、イメージデータ利用を終了する。Ｓ１０２で、イメージデータを利用しない場合も、Ｓ１０７でイメージデータ利用を終了する。
　上述のモデル生成方法が実施可能なモデル作成装置を備えた検査装置について、図３に示す。基本の装置構成要素は、結晶状態のイメージデータを取り込むイメージデータ取り込み装置３２、各種解析に用いる詳細なモデルを作成する処理装置３３、作成したモデルを利用する各種解析装置３４、各種情報を記憶する記憶装置３５、作成したデータを表示する表示器３６（ディスプレイ）、各種情報を入力する入力装置３７の６つの装置で構成されている。イメージデータ取り込み装置３２では、例えば金属表面をＥＢＳＤ測定して取得した画像ファイルを読み込み、記憶装置のイメージＤＢ３８に保存する機能を有する。処理装置３３では数値解析する際に必要な解析領域を定義する機能を有する。すなわち、解析領域を定義するため、センサ構造、ウェッジなどの接触媒体、被検体などの形状及び性状を入力情報として境界条件を作成し、解析領域をメッシュに分割するような機能を有し、上述したステップを実施できるように、主に、形状編集機能３９、領域への材料定数付与機能４０、イメージデータ編集機能４１、イメージデータの解析・処理機能４２、メッシュ生成機能４３を有する。
　形状編集機能３９は本実施例でのＳ０００～Ｓ００５の処理を行う処理部である。イメージデータ編集機能４１は本実施例でのＳ００６～Ｓ０１４の処理を行う処理部である。メッシュ生成機能４３は、上記で作成したイメージデータで敷き詰められた画像データに対して、複数の小片であるメッシュへと分割して、各小片単位で画像データが扱えるようにメッシュを生成する処理部である。イメージデータの解析・処理機能４２では、各メッシュの該当する画素のカラー情報を読み取り、この画素のカラーや濃淡から結晶面指数とオイラー角を求める処理部である。領域への材料定数付与機能４０は、求めたオイラー角に相当する回転行列を基本材料データのスティフネス定数にかけて材料定数を算出して、イメージデータ利用領域に相当する各メッシュに対して、材料特性を付与し、各種解析に用いられる被検体モデルを作成する処理部である。なお、イメージデータの解析・処理機能４２で画素のカラー情報を読み取る際に、生成するメッシュの大きさによっては複数のカラー情報が含まれる可能性がある。この場合は、メッシュに含まれるカラー情報の中で、最も占める率の高いカラー情報を採用する、又は、該メッシュの周囲にあるメッシュのカラー情報で置き換えるようにする等の処理方法が考えられる。
　各種解析装置３４では、イメージデータを活用して生成したモデルを用いて、例えば、有限要素法やレイトレース解析法を用いて超音波の伝搬シミュレーションを実施する機能を有する。各種解析装置３４は有限要素法処理機能４４、レイトレース解析機能４５を有する。記憶装置３５は、解析領域を作成するため、被検体の基本形状を記憶した形状ＤＢ３１や、被検体を構成する材料データ（密度、スティフネス係数、粒径分布、金属結晶種）を記憶した材料ＤＢ４６、ＥＢＳＤ測定や光学撮影などのイメージデータを記憶するイメージＤＢ３８を保有する。また、作成したデータを保存する作成データ保存ＤＢ４７も有する。表示器３６は、編集及び作成したモデルを可視化するため、作成したモデルを使用し、有限要素法やレイトレース法などで解析を実施した結果を表示するために用いる。
　上述のモデル生成方法および装置を利用するに好適な、超音波検査体系を図４に示す。ここでは、アレイセンサ５０を用いてニッケル基合金の一方向凝固材５１を検査することを想定した。点線で囲まれた面が超音波の伝搬面である。ニッケル基合金の一方向凝固材５１の従来のモデル化手法は図５に示すように、立方晶に属する各柱状晶の結晶軸がＺ軸方向以外ではランダムに分布しており、大域的にみてＸ―Ｙ平面における結晶性は無視することができるため、ＸＹ平面内は超音波の音速が伝搬方向に依存しないとする横等方性近似、あるいは結晶として最も回転対称性の高い六方晶近似して扱うことが多い。このような近似では、各柱状晶の結晶軸を反映したモデルが作成できない。そこで本実施例のように、イメージデータを用いてモデルを作成する。
　今、図４における被検体の大域的な結晶成長方向をＺ軸方向と仮定し、Ｙ－Ｚ平面においてアレイセンサ５０を用いて超音波検査することを想定すれば、図６に示すように、超音波を走査するＹ－Ｚ平面では柱状晶の長手方向が概ねＺ軸方向に揃って配列している。ＥＢＳＤ測定によるイメージデータを利用したモデル化を実施するには、Ｙ－Ｚ平面と平行な断面全域をＥＢＳＤ測定するのではなく、例えば結晶粒や結晶面方位分布のある程度含まれる範囲相当のニッケル基合金の一方向凝固材サンプルを予め準備しておき、伝搬面に相当する領域についてＥＢＳＤ測定する。ＥＢＳＤ測定した結果の模式図を図７に示す。ＥＢＳＤ測定結果のイメージカラーは、結晶面指数に対応している。このＥＢＳＤ測定領域５２中、一方向凝固材の特性を良く表した領域をサンプル空間Ａ５３としている。入力装置３７を用いてサンプル空間を指定して、指定された図８のようなイメージデータをイメージＤＢ３８に保存すると良い。本ケースのように一方向凝固材の結晶成長方向がＺ軸方向であると分かっていれば、図９のように大域的な結晶成長方向に合わせてサンプル空間Ａ５３を並行移動およびコピーを繰り返すことによってサンプル空間Ａ５３で敷き詰め、一方向凝固材の断面モデルを作成することができる。
　図４における一方向凝固材の結晶成長方向が、未知の場合におけるモデル作成方法について図１０を用いて説明する。先述したとおり、大域的な結晶成長方向を求めた後に、ＥＢＳＤ測定結果のイメージデータを大域的な結晶成長方向に合わせて回転させて敷き詰めることでモデルを作成すれば良い。この時、例えば（ＰＣＴ／ＪＰ２０１３／０７６１８０）に記載の超音波計測により一方向凝固材のマクロな結晶成長方向を非破壊で求め、本発明のモデル作成方法を適用することにより、一方向凝固材のモデル化を精度良く実施できる。
　このように作成したモデルに対して、計算領域を設定し、メッシュを生成し、格子点や面を定義し特性を付与する。具体的には、図９に示すＥＢＳＤ測定結果であるイメージデータを敷き詰めた画像に対して、計算領域を設定して、メッシュを生成する。各メッシュにおいて、イメージデータよりカラー情報を読み取り、該当するイメージデータのカラーが示す結晶面指数に基づいてオイラー角を求め、求めたオイラー角に相当する回転行列を先述の基本材料データのスティフネス定数にかけることにより算出する。これにより各種解析に用いられる溶接部の材料特性を付与した被検体モデルが作成できる。
　本実施例によれば、一般的な各柱状晶を平均的な結晶方位を用いて表したモデルと比較して、精度が高く、簡便かつ迅速に各柱状晶の一つ一つの結晶方位をそれぞれ反映したモデルが作成できる。
　溶接部のモデル化を例に図１１～図１４を用いて説明する。溶接部は図１１のように、領域Ａ、Ｂ、Ｃで構成されることを想定した。ここで、領域Ａは先述のニッケル基合金の溶接部、領域Ｂは大きな結晶性の不純物を含んだＳＵＳ、領域Ｃは材料定数が既知のＳＵＳ（等方性材料）であるとする。領域Ｂのサンプル空間Ｂは、図１２に示すようなものであるとし、サンプル空間中の密度・スティフネス定数は算出可能であるとする。溶接部における大域的な結晶成長方向の変化については、非特許文献１に記載されている方法を用いて求めることが出来る。Ａの領域における結晶成長方向の変化は、タンジェントの関数を用いた曲線で近似されるが、多数の領域に分割することにより、各領域における大域的な結晶成長方向は線形近似できる。
　従来は、図１１に示すように領域Ａ１，Ａ２，Ａ３に分割し、各領域の結晶成長方向１０１のみ考慮していたモデルが用いられてきた。本発明では、図１、図２に示したフローを用いることにより、図１３に示すモデルを作成することができる。領域Ａ１-Ａ３ではそれぞれの結晶成長方向に合わせてサンプル空間Ａが回転後、敷き詰められている。領域Ｂにおいては、大きな結晶性の不純物を含む材質を反映したサンプル空間Ｂが敷き詰められている。領域Ｃにおいては、等方性材であるため、同一の材料定数が付与されている。また、近年の画像処理技術によれば、パターン認識さえしておけば、図１４に示すように一般座標変換等によって歪んだ空間へ任意に画像を変換して敷き詰めることができるので、イメージベースだけでモデルを構築してしまってから、メッシュを作成する方法も考えられる。
　このように作成したモデルに対して、計算領域を設定し、メッシュを生成し、格子点や面を定義し特性を付与する。具体的には、図１３に示すＥＢＳＤ測定結果であるイメージデータを敷き詰めた画像に対して、計算領域を設定して、メッシュを生成する。各メッシュにおいて、イメージデータよりカラー情報を読み取り、該当するイメージデータのカラーが示す結晶面指数に基づいてオイラー角を求め、求めたオイラー角に相当する回転行列を先述の基本材料データのスティフネス定数にかけることにより算出する。これにより各種解析に用いられる溶接部の材料特性を付与した被検体モデルが作成できる。
　本実施例によれば、複数の部材で構成される構造物に対してより簡便な方法でモデルが作成可能となる。
　一つのＥＢＳＰデータを用いて、他材料のＥＢＳＰデータを作成する手順について、図１５を用いて説明する。例えば一方向凝固材Ｘと一方向凝固材Ｙがあったとして、一方向凝固材Ｘと一方向凝固材Ｙの粒径分布が既知であるとする。結晶成長方向の粒子径分布のみＹは、Ｘに対してＹ１／Ｘ１倍長く、結晶成長方向と直交する方向の粒子径分布は同程度と分かっていれば、一方向凝固材Ｘに対するＥＢＳＤ測定結果のイメージデータを結晶成長方向にＹ１／Ｘ１倍拡大したイメージデータをＹのＥＢＳＤ測定結果として代用する。各メッシュにおけるスティフネス定数を算出する際には、オイラー角のデータはＸにおけるオイラー角を用いてＹのスティフネス定数に回転行列をかけると良い。
　本実施例によれば、材料が変わることにＥＢＳＰデータを取得する必要がなくなるのでより簡便な方法でモデルが作成可能となる。
　なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
３１：形状ＤＢ
３２：イメージデータ取り込み装置
３３：処理装置
３４：各種解析装置
３５：記憶装置
３６：表示器
３７：入力装置
３８：イメージＤＢ
３９：形状編集機能
４０：材料定数付与機能
４１：イメージデータ編集機能
４２：イメージデータの解析・処理機能
４３：メッシュ生成機能
４４：有限要素法処理機能
４５：レイトレース解析機能
４６：材料ＤＢ
４７：作成データ保存ＤＢ
５０：アレイセンサ
５１：ニッケル基合金の一方向凝固材
５２：ＥＢＳＤ測定領域
５３：サンプル空間Ａ
１０１：結晶成長方向

Claims (10)

  1. 　数値解析に用いる解析領域のモデル作成方法であって、
    　解析領域のうち、音響異方性を有する結晶性を有する領域であれば結晶成長方向を指定するステップと、
    　前記領域の結晶性を反映した部分的なイメージデータを選択するステップと、
    　前記結晶成長方向に合わせて前記部分的なイメージデータを回転操作するステップと、
    　前記回転した部分的なイメージデータを用いて指定した領域中に敷き詰めてイメージデータを作成するステップを有することを特徴とするモデル作成方法。
  2. 　請求項１に記載のモデル作成方法において、
    　前記イメージデータとして、電子線後方散乱回折装置により取得した金属表面のイメージデータであることを特徴とするモデル作成方法。
  3. 　請求項１に記載のモデル作成方法において、
    　前記イメージデータとして、金属表面をエッチング後、光学的撮像手段により取得した金属表面のイメージデータであることを特徴とするモデル作成方法。
  4. 　請求項１に記載のモデル作成方法において、
    　前記イメージデータとして、フェーズフィールド法によるシミュレーションより生成したイメージデータであることを特徴とするモデル作成方法。
  5. 　請求項１乃至４のいずれか一項におけるモデル作成方法において、
    　前記作成したイメージデータを構成する画素のカラー及び濃淡を解析してオイラー角を算出するステップと、
    　算出されたオイラー角を用いて予め記憶させておいたスティフスネス定数に回転行列を演算するステップと、
    　イメージデータ利用領域に相当する解析モデルの各メッシュに対して前記画素のカラーや濃淡と対応するスティフネス定数を付与するステップを有することを特徴とするモデル作成方法。
  6. 　請求項１に記載のモデル作成方法において、
    　前記部分的なイメージデータを用いて指定した領域中に敷き詰めるステップにおいて、粒径分布データにもとづき拡大又は縮小を実施したイメージデータを用いることを特徴とするモデル作成方法。
  7. 　請求項１に記載のモデル作成方法において、
    　前記解析領域は、複数の領域から構成されていることを特徴とするモデル作成方法。
  8. 　数値解析に用いる解析領域のモデル作成装置であって、
    　モデル形状、モデルを構成する材料データ、各結晶の結晶方位を表したイメージデータ、作成したデータを保存する記憶装置と、
    　取り込んだイメージデータを利用して指定した領域内を埋め尽くすイメージデータ編集機能と、取り込んだイメージデータのカラーや濃淡を解析してオイラー角を算出するイメージデータ解析及び処理機能と、イメージデータから算出されたオイラー角を用いて算出されるスティフスネス定数をイメージデータ利用領域に相当する各メッシュに対して付与する材料定数付与機能を有する処理装置を有することを特徴とするモデル作成装置。
  9. 　請求項８におけるモデル作成装置で作成したモデルから有限要素法を実施する有限要素法処理機能を有することを特徴とする検査装置。
  10. 　請求項８におけるモデル作成装置で作成したモデルからレイトレース解析を実施するレイトレース解析機能を有することを特徴とする検査装置。
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