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1 京 がひらく未来のものづくり ~ 自動車空力シミュレーション ~ 坪倉誠 理化学研究所計算科学研究機構チームリーダー 北海道大学大学院工学研究院機械宇宙工学部門准教授 スーパーコンピュータ 京 を知る集い in 盛岡 2013 年 12 月 7 日岩手教育会館大ホール Applied Aerodynamics Group 1

2 自動車開発で活躍するシミュレーション (1) エンジン ( 自動車の心臓 ) ポート ( 吸排管とシリンダーをつなぐ弁 ) 設計 エンジン内で効率的に燃料を燃やすにはどうすればいいか? エンジンの内部を目で見ることは 実験ではすごく難しい たくさんのポート形状を実験することは試行錯誤で時間がかかる シミュレーションによって最適な形状を早く決めることができる! 流れにのった粒子流れの速度流れの温度 2

3 衝突安全性試験 自動車開発で活躍するシミュレーション (2) 1 台の試作車を作るのに1~2 千万円 ( 一車種で数十億 ) 一回の衝突実験でパー 実験をシミュレーションに置き換えられれば 大幅なコスト削減ができる! 3

4 操縦安定性解析 自動車開発で活躍するシミュレーション (3) 走行テストは 設計終盤の試作車が完成してからでないとできない 試作車が完成してからだと大幅な変更は難しい シミュレーションだと 設計の途中でまだ 物 が出来上がっていない状態でも評価できる! 4

5 コンピュータ支援エンジニアリング (CAE) 自動車開発の様々な過程で数多くのシミュレーションが大活躍! ものづくりをより速く 安く作ることに大きな貢献 設計図面をコンピュータで描くようになってから (1990 年代 ) 大きく進化 昔の手書きによる図面 現在のコンピュータによる図面 (CAD データ ) 日本は特に積極的にCAE( コンピュータ支援エンジニアリング ) を導入することで 国際競争力を強化 ( 欧米に対して1 年速く自動車を作れます ) 5

6 自動車の空力設計 ( 今日の話の主役 ) 自動車の周りの空気の流れに関係する設計 空気抵抗 ( 燃費 ) 走行安定性 エンジンの冷却 車室内の熱環境 空気騒音 ワイパー 泥はね 着雪 Hucho, Aerodynamics of Road Vehicle より 炭谷他, ながれ 23(2004) より 自動車の周りの空気の流れと空気により自動車にかかる力を扱います 6

7 ボールが空気から受ける力 ( 基礎空気力学 ) スポーツで見られるボールの運動の不思議 ロベルトカルロスのフリーキック R. A. ディッキーのナックルボール 空気中を動く物体は空気から力を受ける : 空気力, 空力 スパコンで調べたボールの周りの流れ (Muto et al, 2011) 左 : 回転なし 右 : 回転あり ; 色は流速と球表面圧力 揚力 空気の流れ 抵抗力 7

8 空気力を利用する ( 応用空気力学 ) 飛行機が空を飛ぶ 翼に働く揚力を上手に利用 世界最大の旅客機エアバスA380 全長 :73m, 全幅 :79.8m, 最大離陸重量 580トン うまく設計すれば600トンの巨体を浮かせる事だってできる A380 初飛行 ( トゥールーズ, 2006) ボールに働く空気力 飛行機の翼に働く空気力 プチルマンレースにおける事故 自動車だって空を飛ぶ? 空気力がわかっていないと事故に 浮かすつもりはなくても条件が整えば1トン程度であれば簡単に浮いてしまう 空気力を上手に利用して性能のいい車を作りたい! 8 8

9 空気力の分解 : 三つの力とモーメント 抵抗力 揚力 横力 モーメント ( 軸に対して回転させる力の作用 ) 自動車に作用する空気力 横力 ヒ ッチンク モーメント ヨーインク モーメント 揚力 抵抗力 抵抗力 80km/hで空気抵抗が支配的 (50%) ~40kg 重 ( 市販車 100km/h) ~250kg 重 ( 大型トラック100km/h) 低燃費の達成の為に重要 日本の二酸化炭素排出量の25% が車 20% の抵抗低減で燃費は約 10% 向上 ローリンク モーメント 欧州車の空気抵抗の推移 自動車は空気抵抗を減らすことが何より大切! ところが. 9 9

10 揚力 ( 持ち上げる力 ) 運転の安定性 ( グリップ ) に影響 抵抗を下げようとすると揚力が発生してしまう 自動車に作用する空気力 燃費を下げ ( 抵抗力 ), 安定性も確保 ( ダウンフォース ) するのは難しい あちらが立てばこちらが立たず 表面を滑らかにすることによる抵抗の変化 横力 横風時の安全性 高速走行時の安定性 空気力を上手に利用するには, バランスよく精密に力を計測, 予測する必要がある! 10 10

11 空気力を計測する方法 ( 道具 ) 風洞実験 一番精度が高い 高価な建設, 電気代 実際の走行状態とは違う BMW 風洞 実走行計測 一番現実に近い 一番精度が悪い 空力シミュレーション 多数のテストを安価にたくさん実施できる 実際の車がなくてもテストが可能 使う物理モデルや計算手法により精度が悪くなる BMW トラックテスト シミュレーションを使えば, 空気力を設計図の段階で評価できる 11 11

12 空力シミュレーション (1) 空気の運動を表す式 ( 運動方程式 ) をコンピュータで解く 空気の流れはある決まりに従って運動している 地球や月が万有引力に従って運動しているのと同じことです 運動方程式が解ければ 実際に実験しなくても流れの様子がわかる 観察したい流れの空間をすきまなく要素 ( 計算要素 ) に分割する 分割した要素に対して運動方程式 ( 偏微分方程式 ) を近似する 近似した代数方程式 (+- ) を流れ場全体で時空間的に解く 計算格子 近似の仕方 格子を出入りする質量, 運動量, エネルギーに関する式を立てる 12 12

13 空力シミュレーション (2) 未知数が数千万 ~ 数億の連立方程式を解く 未知数が二つの連立方程式 未知数が n の連立方程式 ( 自動車解析の場合 一億以上 ) コンピュータでしかできません 13 13

14 自動車空力シミュレーションの難しさ 形が複雑で流れがはがれやすい 翼 ( 流線型 ) と球 ( ブラフボディ ) 自動車はブラフボディの典型 流れの剥離点の位置で空気力が大きく変化する 複雑な形状を再現するのに膨大な計算格子と手間 車体は数メートル 小さな部品は数ミリ 流れ場が乱流である 最大渦は数メートル 最少渦はサブミリメートル 全ての渦を解像して計算するには膨大な計算資源が必要 膨大な計算機資源が必要になります! 14

15 シミュレーションで ものづくりの何が変わったか? 製品の開発をより速くより安く進められるようになった 風洞実験の多くをシミュレーションに置き換えて 費用 時間を節約 ものづくり基盤技術としてここ 20 年で大きく普及 ( 既に無くてはならない技術 ) 日本車は外国に対してより速く新車を開発している (1 年程度速い ) いまのシミュレーションでは製品開発ツールとして限界がある! 所詮は風洞実験の代わり 安価で高い経済性が要求される大衆車では 開発経験が浅いアジア勢が日本以上に積極的にシミュレーション技術を導入 ( 使う道具が同じになれば やがてはおいつかれてしまう ) 高速安定性が重要な高級車では 膨大な経験を有する欧州車が一日の長 ( 経験を理屈で補わない限り 追いつけない ) 今までのシミュレーションの何が問題? これから何をすればいい? 15 16

16 今までのシミュレーションとこれからのシミュレーション 今使われている時間平均シミュレーション これからの時空間変動シミュレーション 利点 : より安く速くに大きく貢献 欠点 : 空気力はわかるけれど 渦は見えないので 何故 そうなるかの説明は難しい 利点 : 流れ場の時空間渦構造が得られるので より現実的な走行状態を再現できる 欠点 : 今まで以上に高性能のスパコンが必要 車体表面の圧力と車体周りの空気の速度を色で表現 時空間変動シミュレーションが鍵, ただし計算負荷が ( すごく ) 高い

17 スパコン開発と自動車空力シミュレーションの歴史 NWT 地球シミュレータ 京 世界最速スパコン メガ (M)FLOPS 級 ギガ (G)FLOPS 級 テラ (T)FLOPS 級 ペタ (P)FLOPS 級 自動車会社の スパコン時間平均解析時間変動解析テスト計算 リアルワールド解析 会社での開発 1980 年 ~ 年 ~ 年 ~ 年 ~ 空間解像度 10cm 1cm 1cm 弱 1mm 弱 計算方法 時間平均解析 時間平均解析 時空間変動解析 リアルワールド解析 テスト計算の時代 実用化の時代 高精度解析の時代 次世代 京 の性能があれば超精密にリアルワールド解析ができます 17 30

18 スパコンの性能とエンジンの形状の再現 表面解像度 :100mm 空力総要素数 : 数十万 ~ 百万個 表面解像度 :10mm 空力総要素数 : 数千万 ~1 億個 表面解像度 :1mm 空力総要素数 : 数十億個 20 年以上前のスパコン 地球シミュレータ級スパコン 京級スパコン 18

19 京 コンピュータで何が変わるのか? 京 を使えば 10 年先 ( 次世代 ) の未来が見れる 次世代の空力シミュレーション (1) 超高解像度渦シミュレーション 風洞では観察が難しい三次元的な渦と 自動車との関係が観察できる 何故そうなるのか? どうすればそうなるのか? 理屈がわかるようになる! より性能の高い車の開発が可能になる (2) リアルワールド ( 実際の走行状態を再現した ) シミュレーション 風洞では再現が難しい突風や追い越し 急ハンドル時の車の運動が再現できる 自動車の設計図段階での評価ができる より安全で安定性の高い車の開発が可能になる ものづくりの プロセス そのものを変えることができる ( プロセスイノベーション ) スーパーコンピューティングシミュレーションを使えば 風洞実験ではできない観察や評価が可能になる 19 実験の代わりではなく, 実験ではできないリアルワールド解析が鍵! 20

20 京 で実現した超大規模解析 表面解像度 2mm~10mm( 要素数 3500 万 ) 空気抵抗の風洞実験との誤差 7% 表面解像度 0.5mm~2.5mm( 要素数 23 億 ) 空気抵抗の風洞実験との誤差 2% 表面解像度を1mmにあげると空気抵抗の誤差を2% 程度で予測できる 20

21 風洞実験評価からリアルワールド評価へ 風洞試験 ( 定常 RANS シミュレーション ) とリアルワールドとのギャップ Gusty wind Uniform flow Steering action 変動風がトータルとしての車体空気抵抗に与える影響は? 高速直進安定性, 操縦安定性に与える空気力の効果は? 突風に対する横風安定性は? 変動風や車体運動を模擬した実験 Road bump Durham 大学の乱流変動発生装置 BMW のヨー加振風洞広島大学曳航水槽実験 ( 中島 ) 21 こういった実験を開発プロセスで使うのは無理! 21

22 富士スピードウェイのコーナリング時の非定常空力 22 フォーミュラカーの実走行時にかかる空気力をシミュレーションで予測 実走行テストにより車体姿勢変化を計測する 計測値を流体シミュレーションで再現して時々刻々と変化する空気力を評価する 風洞実験によるセッティング 実走行時の状態

23 まとめ 最速スパコンは未来が見れる道具 ( タイムマシンみたいなもの ) 風洞の代わりのシミュレーション ( より早く 安く ) から 次世代は風洞では評価できないリアルワールドシミュレーション ( 性能の向上 ) へ 自動車会社との連携により設計システムを開発しています 日本の強みを生かしたハイパフォーマンスコンピューティング技術により設計システムを開発 今までとは異なるものづくり ( 設計プロセス ) の改革 より安価で短期間に かつ性能の高い製品の開発を実現 日本のものづくりの国際競争力の強化 23 31

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