木材乾燥過程における水分分布の可視化およびAI・シミュレーション技術の開発

木材干燥过程中水分分布可视化及AI/模拟技术开发

• 批准号: 22K14926
• 负责人: 馬 特
• 金额: $ 3万
• 依托单位: Nagoya University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22K14926/
• 关键词: 水分移動機構; ひずみおよび割れ; 分光イメージング手法; X 線CT撮影; 有限要素法; 機械学習; 木材乾燥過程のモデル化; 変形および割れの予測; 近赤外ハイパースペクトラルイメージング法; 人工知能

初年度には、ヒノキを実験サンプルとして使用し、合計56個のサンプルを約30×30×30mmの大きさに分割した。サンプルの湿度を制御するために2つの乾燥器を用意した。乾燥器Aは、水によって約95％の高い相対湿度（RH）に調整、乾燥器Bは五酸化二リンによって約10％の低いRHに調整した。28個のサンプルを平衡水分含量に達するまで乾燥器Aに入れた。その後、木材サンプルを乾燥器Bに移し、定期的に取り出して下記の測定を行った。先ず、各サンプルをX線CTで木材の物理構造、内部の割れ、および密度データを取得し、3Dシミュレーション用モデルを構築した。その後、各木材試料を約5mmの間隔で切断しつつ、その断面を近赤外ハイパースペクトラルイメージング(NIR-HSI)カメラで撮影した。含水率(MC)の計算のため、撮影前後の重量および全乾燥重量を測定した。同じ測定は、乾燥器BからAの順にも行った。測定されたMCとNIRスペクトルの間のキャリブレーションモデルは、偏最小二乗（PLS）回帰分析に基づいて構築した。最後に、MCキャリブレーションモデルを分光画像に適用して、測定された木材サンプルの湿度の可視化を実現できた。本実験では、「NIR分光法の利点である非破壊測定」の視点を大きく変えて木材乾燥過程における材内の水の３次元空間分布をあえて破壊的な計測によって把握できた。さらに、NIR-HSIでの水の可視化結果に基づいて、水分分布の時間変化と表面温度による水分移動特性をパラメータ化し、非等温乾燥条件下で3次元シミュレーション乾燥過程のモデル化に成功した。さらなる実証実験により、NIR-HSI法が木材乾燥過程における水移動機構のモデル構築のための有力な分析ツールになることが期待できる。

在第一年，将柏树用作实验样品，总共56个样品分为大约30 x 30 x 30 mm的尺寸。准备两个干燥机以控制样品的湿度。用水调节干燥机A的高相对湿度（RH）约为95％，并用五磷氧化二磷酶调节干燥剂B至约10％的低RH。将28个样品放入干衣机A中，直到达到平衡水分含量。然后将木材样品转移到烘干机B中，该B会定期清除，并进行以下测量。首先，我们使用X射线CT获得了每个样品的物理结构，内部破裂和密度数据，以构建用于3D模拟的模型。之后，以大约5毫米的间隔切割每个木材样品，并用近红外高光谱成像（NIR-HSI）相机拍摄横截面。为了计算水分含量（MC），测量了照片之前和之后的重量和总干重。在干燥机B到A的顺序中进行了相同的测量。根据部分最小二乘（PLS）回归分析，构建了测得的MC和NIR光谱之间的校准模型。最后，将MC校准模型应用于光谱图像，以实现测得的木材样品的湿度的可视化。在该实验中，我们能够急剧改变“非破坏性测量，是NIR光谱的优势”的观点，并且我们能够通过破坏性测量在木材干燥过程中掌握木材中水在木材中的三维空间分布。此外，基于NIR-HSI的水的可视化结果，参数化了由于表面温度而引起的水分分布和水分转移特性的时间变化，并且在非等温干燥条件下成功建模了3D模拟干燥过程。可以期望进一步的演示实验使NIR-HSI方法成为在木材干燥过程中构建水转移机制模型的强大分析工具。

项目成果

Three-dimensional modeling of moisture transport in wood by means of near-infrared hyperspectral imaging and X-ray computed tomography coupled with finite element analysis method

利用近红外高光谱成像和 X 射线计算机断层扫描结合有限元分析方法对木材中的水分传输进行三维建模

• 发表时间: 2023
• 作者: Wenpeng Zeng;Te Ma;Satoru Tsuchikawa;Tetsuya Inagaki
• 通讯作者: Tetsuya Inagaki

Experimental study and three-dimensional modeling of moisture transport in wood by means of near-infrared hyperspectral imaging coupled with a heat and mass transfer simulation method

利用近红外高光谱成像结合传热传质模拟方法进行木材中水分传输的实验研究和三维建模

• DOI: 10.1515/hf-2021-0203
• 发表时间: 2022
• 期刊: Holzforschung
• 影响因子: 2.4
• 作者: Ma Te;Morita Genki;Inagaki Tetsuya;Tsuchikawa Satoru
• 通讯作者: Tsuchikawa Satoru