Development of health monitoring system for ship structures by inverse FEM

2023 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 22KJ0655
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 三上 航平 東京大学, 新領域創成科学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2023-03-08 – 2024-03-31
• Keywords: 船体構造モニタリング / デジタルツイン / 逆有限要素法 / 健全性評価 / ソフトウェアフレームワーク

Outline of Annual Research Achievements

本研究は，船体構造の健全性を評価することで船舶の設計・保守・運用に寄与するデジタルツインを実現するための船体構造モニタリングシステムの開発に関する研究を実施する．現実空間における船体構造の状態・挙動をサイバー空間に再現したデジタルツインを実現するためには，センシングによって得られる限定的な計測データから構造全域における状態を推定する必要があり，本研究では状態推定のためのデータ同化手法として，ノイズに対するロバスト性などの利点から逆有限要素法を選択した．これまでの研究では，流体解析および構造解析シミュレーションを用いた検証によって推定逆有限要素法の船体構造モデルへの適用性が確かめられた．また船体へのセンサ設置にかかるコストの観点から，より限定的な計測情報から精度良く船体構造の状態を推定するため，逆有限要素法の入力となる離散的に計測されるひずみを補間する手法を開発した．また効率的にシステムを構築するためのフレームワークを開発した．開発したフレームワークを用いて模型船のデジタルツインを構築するモニタリングシステムを開発し，実験水槽における模型船試験においてシステムの動作検証を実施した結果，開発したフレームワークおよびシステムの有効性が示された．さらに実船を対象とする実証試験を開始した．以上を踏まえ，当該年度は(1)実船におけるモニタリングシステムの実証，(2)逆有限要素法による状態推定の高精度化に関する研究を実施した．(1)では昨年度から継続して鉱石運搬船を用いたシステムの実証試験を実施しており，運航中の船舶における本研究で開発したシステムの適用性が確かめられた．(2)では，船体の弾性変位データを逆有限要素法の境界条件とすることで状態推定の精度向上を目指し，RTK-GNSS/IMUによって船体の変形を計測するシステムを開発し，実船における計測試験を実施した．