ものづくりに HPC を活用するためのツールとケーススタディー

VOL.

18

計算工学ナビ・ニュースレター2020年春号

ポスト「京」重点課題⑧
産業競争力強化に向けた高性能・高機能アプリケーションを開発

重点課題⑧課題責任者 加藤千幸

《特集》 ポスト「京」で重点的に取り組むべき社会的・科学的課題に関するアプリケーション開発・研究開発
重点課題⑥

各サブ課題 研究開発成果の概要

サブ課題責任者

重点課題⑧

各サブ課題 研究開発成果の概要

サブ課題責任者

◆ 計算工学ナビ・レポート

ポスト「京」重点課題⑧

近未来型ものづくりを先導する革新的設計・製造プロセスの開発

文部科学省 ポスト「京」で重点的に取り組むべき社会的・科学的課題に関するアプリケーション開発・研究開発

産業競争力強化に向けた高性能・高機能アプリケーションを開発
文部科学省
「ポスト
「京」
で重点的に取り組むべき社会的・科学的課題に関するアプリケーショ
ン開発・研究開発」
プロジェクトでは、9の課題に対して、「富岳」
において高性能を発揮すべき
アプリケーションの開発と最適化が進められてきました。本ニュースレターでは、
その9の課
題のうち、
工学系の2つの課題、
すなわち、
重点課題⑥
「革新的クリーンエネルギーシステムの実用化」と重点課題⑧「近未来型ものづくりを先導する革新的設計・製造プロセスの開発」の最終成果を紹介します。
それに先だって、
重点課題⑧の課題責任者である加藤千幸教授に5年間に及ぶプロジェクトを振り返り、研究開発の成果についてお話しいただきました。

デザインにより高性能アプリケーションを開発

ション「FFB（FrontFlow/Blue）」をターゲッ

トアプリケーションに選定し、これを中核として、自動車統合設計システムである非圧縮性・

重点課題⑧「近未来型ものづくりを先導す

圧縮性流体解析プログラム「CUBE」、航空機

加藤 千幸 センター長・教授

術では評価できなかった予測を実現できることを証明しました。この成果により、実機を用いた飛行試験のリスクを低減し、開発期間の短縮および開発コストの削減につながる成果

る革新的設計・製造プロセスの開発」プロジェの次世代空力解析ソルバーである圧縮性流体

が「富岳」で得られることが期待されていまを定量的に評価でき、また、設計を最適化でレータの非線形構造解析プログラムや熱可塑料利用の促進に貢献する溶接順序探索の高精

信頼性を向上させることが可能な革新的製造バーとしても利用された「FrontISTR」といっして、高度成形・溶接シミュレータを開発し、プリケーションの研究開発を進めてきました。

した。その結果、「FFB」では、「京」と比較して、

レーンマストのアーク溶接工程について検証

設定し、アプリケーション開発を推進してきまれており、その他のアプリケーションでも、「京」

熱可塑性 CFRP（炭素繊維強化プラスチック）

流設計プラットフォームの開発（サブ課題 A）、

られる見通しが得られています。また、アプリ

ル熱可塑成形シミュレータを開発し、その効

ターボ機械・航空機など）における製品設計

リーンエネルギーシステムの実用化」と連携

成形シミュレーションに適応し、内部に発生今後の製造プロセスの核となる製造基盤技術

2回開催し、チューニング手法などさまざまなニズムを明らかにしました。

率化を図りました。

ションの高度化・高速化は比較的スムーズにクトでは、企画段階から製品の性能や信頼性きる革新的設計手法、コストを最小化しつつプロセスの実現を目指して、その鍵を握るア

この目的を実現するために、6つのサブ課題をした。6つのサブ課題では、共通基盤となる上その実証のための代表的産業分野（自動車・システムの開発（サブ課題B、C、D）、さらに、の開発（サブ課題E、F）に取り組んできました。
これらの研究開発には、2つの大きな目的が解析プログラム「FFVHC-ACE」、溶接シミュ

性 CFRP 製造プロセスシミュレータのコアソル

た、4本の主要アプリケーション開発を進めま40倍以上の高速化を達成できる見込みが得らに対して20倍から50倍といった高い性能が得

ケーション開発では、重点課題⑥「革新的クし、「アプリケーション連携開発会議」を年に分野で詳細な情報共有を行うなど、開発の効ありました。1つはスパコン「京」の後継機となる「富岳」において高性能を実現すること、

もう1つは実際にものづくりの現場で応用した

ときに高い効果を発揮することです。単に計算が速いだけでは意味がありませんし、逆に、「富岳」に向けた準備計算を完遂
アプリケーション性能とともに目的として掲げてきた産業上の利用効果については、当す。サブ課題 E では、溶接法の高度化や新材

度化、逆ひずみ量推定の高速化などを目的と大規模望遠鏡の架台部とジブクライミングク

計算を進めています。最後に、サブ課題Fでは、成形シミュレーションが可能なマイクロスケー
果の検証としてジェットエンジンファン部材のする複雑な応力分布と残留ひずみ発生のメカ
6つのサブ課題の全てにおいて、アプリケー

進み、各サブ課題が当初掲げていた目標を達成し、成功裏にプロジェクトを終えることができたと考えています。本プロジェクトに対しては、当初から産業界からの期待も大きく、産業界から大きな協力が得られたこともプロジェ効果があっても解析に要する時間が長大化し然ながら「富岳」がまだ稼働していないので、クトが成功した大きな要因の一つです。

この両方を可能にする高度なアプリケーショ

しかし、「京」や「京」以外のHPCI 資源を活降に本格運用を開始する「富岳」を活用してアプリケーション開発において、鍵となっ効果を検証しました。たとえば、サブ課題 A

たのでは実用的には使えません。そのため、本当の意味での実証研究は実施していません。

2020年度から試験的に稼働し、2021年度以用して、規模を縮小した問題で産業上の利用進められるプロジェクト「『富岳』成果創出加

たのはコデザインによる開発です。つまり、「富の多目的最適設計探査技術については、サブす。上記6つのサブ課題の一部が、そのプロジェ

リケーション性能を高めるため、ハードウェア

しました。また、サブ課題 Cと連携し、小型開発を推進しました。このコデザインによってた。サブ課題 B では、メーカーから提供されンを開発する必要がありました。

岳」を始めとして次世代のCPUにおけるアプとアプリケーションの開発者が協働して研究

CPUアーキテクチャ、コア数、動作周波数なクトを推進する課題として選定されましたが、ファンの性能・騒音の最適化も進めてきましロジェクトの研究開発成果をさらに発展させて、たホワイトボディを用いた剛性解析について

際的な産業競争力強化に大きく貢献すること

開発アプリケーションによりシミュレーション

どさまざまな可能性を模索しながら、さらなるを実証しました。サブ課題 D では、実機複雑たいと考えています。

の精度検証などを実施し、サブ課題 C では、れたパラメータに基づき詳細設計されたハーによる曳航水槽試験の代替が可能であること

ドウェアにおいて、アプリケーションの高速化を図ってきました。重点課題⑧では、ターボ機械設計・評価システムの流体解析アプリケー

計算工学ナビ Vol.18

速プログラム」が、2020年度から開始されま

課題 Bと連携し、自動車の空力最適化を実施

どのハードウェアのパラメータがまず最適化されました（フェーズ１）。次いで、最適化さ2

東京大学生産技術研究所
革新的シミュレーション研究センター

形状の航空機に対して、離着陸時の最大揚力や遷音速バフェットなど、従来の数値解析技

それに選ばれなかった課題も含めて、このプ

付加価値の高いものづくりの実現、日本の国が期待されています。産業界との共同研究な展開の道を切り開いていく努力を続けていき◆ 計算工学ナビ・レポート

ポスト「京」重点課題⑥ 革新的クリーンエネルギーシステムの実用化

各サブ課題 研究開発成果の概要

サブ課題Ａ
東京大学大学院
工学系研究科教授

吉村 忍

文部科学省ポスト「京」重点課題⑥「革新的高圧燃焼・ガス化を伴うエネルギー変換システム
Thermal が炉容器内の熱伝導解析を担います。

ステムを用いることにより、従来燃焼解析単独

れますが、同時に炉容器内に埋め込まれた冷却部を内包する炉容器における熱伝導解析と冷却炉容器内表面には燃焼部より高熱負荷が加えら管を流れる冷却水によって強制冷却されるため、
ADVENTURE_Thermalには、冷却管内の１次元

クリーンエネルギーシステムの実用化」プロジェの移流拡散解析を担当する解析モジュールが追化を目指して研究開発が進められているCO2回

すなわち炉容器の内表面が連成界面となり、こクトのサブ課題Ａでは、2020～2030年代の実用の部分で熱の授受が行われます。燃焼部外表面

従来の計算機環境では実現が不可能であった炉

容 器内表 面の壁 面 温 度 Tw の FFR-Comb への全系高精度シミュレーション技術を研究開発しました。このシミュレーションの実現により、高圧燃焼・ガス化プロセスの詳細定量評価が可能となり、適切な炉パラメータ探索の試行錯誤プ

ロセスを大幅に削減し、国際競争力のある実用炉に必須となる高効率化・低環境負荷・高レジ

リエンス性能の実現を加速し、その実用化時期

から炉容器内表面への熱流束Ｑの送受信と、炉送 受 信を通して、FFR-Comb と ADVENTURE_

Thermalの双方向連成を実現。並列計算実行中の、熱流束や炉容器壁面温度の物理量のオンラ

イン送受信は、並列カプラーREVOCAP_Coupler

によって実現します。さらに、一連の双方向連成解析が終了後は、得られた炉容器内の温度分
布の時刻歴解析結果を、オフラインでFEMに基の早期化に貢献します。

づく並列非線形構造解析コード ADVENTURE_

象とした解析では、FVM に基づく並列 LES 燃

非線形熱応力挙動を評価することができます。

やスラグ流の固気液三相燃焼解析を担い、FEMや CO 分布、炉容器部の温度分布、スラグ流発ラボスケール石炭ガス化炉（電中研炉）を対焼解析コード FFR-Comb がガス化炉の燃焼部に基づく並列熱伝導解析コード ADVENTURE_

管を通した強制冷却解析を双方向に連成して解くことができ、より高精度の解析が可能になります。

加実装されています。さらに、燃焼部の外表面、収・貯留を伴う石炭火力発電システムの実現のカギを握る高圧燃焼・ガス化炉をターゲットとし、で行われることの多かった解析について、燃焼

Solidに入力して解析することにより、炉容器の図に、解析の一例として、燃焼部の温度分布

生時のスナップショットを示します。本解析シ▲ ラボスケール石炭ガス化炉のマルチフィジクス
シミュレーションの事例

サブ課題 B 気液二相流および電極の超大規模解析による燃料電池設計プロセスの高度化
東京大学
生産技術研究所教授

鹿園 直毅

燃料電池は、究極的な高効率かつクリーンなエネルギー変換装置であり、次世代自動車用の化や非一様性が大きいことも設計が困難である

広範囲の素材材料を統一的な精度で扱うことがことの大きな要因です。これらの現象は大電流可能で、汎用性が非常に高いものとなっています。

するため、その実験計測は一般に困難であり、については、実験による経験式を用いることなく、や高温といった非常に過酷な条件でより顕在化かつ出来たとしても膨大なコストを要すること
から、数値シミュレーション技術への期待が非三相界面および触媒層の構造・輸送パラメータシミュレーションによる内部現象理解に基づいたモデルとして扱うことが可能になりました。さ

動力源や定置用発電システム等としての本格的

常に大きくなっています。

らに、電極要素特性解析により算出した分極特化してしまった多くの技術に代わって、次世代流解析（PEFC-2PHASE）、メゾスケールの電極の抵抗過電圧、触媒層構造に起因した拡散過電も期待が大きいです。現在のところ、我が国の電極接合体（MEA）におけるミクロスケールのした流路内の圧損増倍、液水滞留量等の二相流にあるものの、各国の追い上げは非常に激しく、

PHASE/0）等のアプリケーションソフトを開発し、ることで、部材レベルからセル・スタックの発かの重要な時期を迎えています。

幅に向上することができました。さらに、各スケー

クから、微細かつ複雑なメゾスケールの電極多のソフトでは扱うことのできない複雑な現象をな普及が期待されています。また、コモディティーの我が国の産業競争力を担う技術の一つとして燃料電池に関する技術は世界的にも優位な立場

今後ともその競争力を保つことができるかどう

サブ課題 Bでは、マクロスケールの気液二相内の反応・輸送解析（PEFC-ECR）、および膜

構 造・ 物 質 輸 送 解 析（ABINIT-MP、CAMUS、個々のスケールにおける解析精度と適用性を大性（活性化過電圧、電解質膜およびアイオノマー
圧）、および大規模気液二相流解析によって算出

動パラメータを全体性能シミュレータに適用す

電性能、特に自動車用PEFC に要求される高電流密度域の限界性能を予測することが可能とな

ルにおける解析結果を連携させることで、単一りました。このようなマルチスケールのアプロー

孔体、Pt 触媒・担体・電解質のナノスケールの予測可能なマルチスケール解析ワークフローをシステム設計にボトムアップで橋渡しするのみ

にわたって輸送現象と電気化学反応が重畳した解析によって算出した電解質膜・電極三相界面

もとに、あるべき材料特性をトップダウン的にる電極内の反応・物質輸送の不均一性、液水滞素特性解析に適用することで、MEAの発電性能

マクロのスケールを連携する試みは世界を見てに関わる電極構造の経時変化等、時空間的な変パラメータ無しで第一原理的に行われるため、燃料電池は、マクロスケールのセル・スタッ

三相界面というように、広範囲な長さスケール

非常に複雑な系です。さらに、発電性能に関わ留によるガス供給の不均一性、および耐久性能

構築できました。具体的には、ナノ構造・機能のプロトン伝導度およびガス拡散係数を電極要解析を実施しました。ナノレベルの計算は経験

チによって、材料特性から電池デバイス設計やならず、電極作成プロセスやシステムの制約を示すことが可能です。このようなミクロ・メゾ・

も例が無く、本プロジェクトの大きな成果だと自負しています。

3◆ 計算工学ナビ・レポート

ポスト「京」重点課題⑥ 革新的クリーンエネルギーシステムの実用化

各サブ課題 研究開発成果の概要

サブ課題 C
豊橋技術科学大学教授

飯田 明由

高効率風力発電システム構築のための大規模数値解析
車の流体構造連成振動に基づく疲労強度評価を

数百の発電機で構成される風力発電設備の最適課題6Cでは、前述の風車周りの大規模マルチス

では、主に(i)(ii)に関する解析技術の開発がまさ

高精度化していくことが必須となります。サブケール解析（FrontFlow/Blue 東京大学生産技術研究所、豊橋技術科学大学）、洋上ウィンドファー

自然エネルギー利用計画の一環として、我がム全体を対象とした多風向（16～24方位）性能

化と制御）の3つが掲げられており、本サブ課題に世界に先駆けて行われています。図は2台の風車の大規模流体解析結果であり、風車後流の相互干渉による下流側風車の性能低下の定量評価

国では、2030年に400万kwの洋上ウィンドファー

評価・最適化解析（RIAM-COMPACT-HPC 九州

が可能になりました。また、ブレードに作用する

ムにおける実機大規模風車を対象とした解析でよるブレードの寿命評価（東京大学）に取り組な応力分布を解析し、ブレードの疲労寿命予測流の数 m～数10mの渦、大気境界層内の数百m

Science 366, 443 (2019)に“Grand challenges in

ム開発が計画されています。洋上ウィンドファー

大学）、大規模風車の流体構造連成振動解析に

変動流体力をもとに、複合材料に作用する複雑が可能となりました。大規模数値解析技術を活は、ブレード周りの数ミクロンの渦から、風車後んでいます。洋上ウィンドファームに関しては、～1kmの巨大な乱れを同時に解像する必要があ

the science of wind energy（風力エネルギーのることが困難なシステムの性能や寿命を事前に文が掲載され、大型化する洋上風車の開発にお開発・設置への貢献が期待されます。

り、高精度のマルチスケール解析が発電性能や疲労寿命を高精度に予測する上で本質的に重要となります。このような取組みは、計算科学的科学における大きな挑戦）”と題するレビュー論

ける今後の挑戦的なにも非常に難度が高く、世界的に前例がありま

課 題として、(i) 風 力

要を考えた時に、限定されたスペースの中で洋なゾーンにおける大せん。しかし、今後ますます高まる風力発電需気の流れの物理学にには、サイトの風況（年間の風速分布や風向分(ii) 風力タービンの材

すなわち上流側配置の風車の後流（Wake）によ

ミクス）、(iii)大規模な予測し、さらに、後流に晒される後方配置の風

相乗的に運転される布）を十分に考慮しつつ、大型風車の相互干渉、る下流側配置の風車の発電性能低下を高精度に予測することが可能となり、ウィンドファームの発電所の運転の重要

上ウィンドファームを立地し、所定の発電性能（発電電力及び耐用年数20年）を達成していくため用し、洋上ウィンドファームのような試作機を作対する理解の向上）、

料とシステムのダイナ
送電網システム内で▲2台の風車の大規模流体解析結果

サブ課題 D 核融合炉の炉心設計
日本原子力研究開発機構
システム計算科学センター
高度計算機技術開発室長

井戸村 泰宏イプと考えられるプラズマシミュレータ（FX100）、
Oakforest-PACS（KNL）等の最先端メニーコア型計算機において、メニーコア最適化技術や省通信アルゴリズム等の計算技術を開発し、各シ

ステム全系規模の強スケーリングを達成しました。
本サブ課題では、次世代核融合実験炉 ITER

ターバルで間欠的に励起されるマルチ時間スケー
ル現象を捉えることに成功しました。これらの成果は50篇を超える査読付き論文として公表され、開発ソフトウェアの一部はオープンソースと時間スケール現象の長時間計算手法や燃料粒子

して公開されました。また、若手研究者を中心

けて、富岳向けのエクサスケール核融合プラズ

生成するヘリウムや炉内機器から放出される不レーションをリードする人材の育成にも貢献しま

ズマシミュレーションは５次元位相空間（空間３しました。実証研究に関しては、多種イオン系

クロトロン運動を平均化して消去）における粒気流体力学（MHD）現象の解析に関して多くのにおける炉心プラズマ性能の評価・予測、および、より高性能な炉心運転シナリオの探索に向マシミュレーションを開発しました。核融合プラの重水素と三重水素に加えて核融合反応により純物を含む多種イオン系プラズマモデルを確立

次元×速度２次元：速度１次元は高周波のサイ

プラズマの乱流輸送や高エネルギー粒子駆動磁子分布関数の乱流問題となりますが、ITERの核成果が得られました。GT5Dではトカマク装置に桁程度大きい時空間スケールを持つため、エクプラズマの閉じ込め特性の違いをもたらす乱流

燃焼プラズマは既存実験装置に比べてさらに一輸送の水素同位体効果を解明しました。水素同

ド GT5D、局所的乱流輸送解析コード GKV、高を評価する上で重要な課題です。GKV では核融スとして、１．エクサスケール計算技術の開発、Helical Device）に対する実証研究を進め、2018

発、３．開発コードを用いた実証研究、という３

その閉じ込め性能を予測するという快挙を成し

スケール計算技術に関しては、富岳のプロトタ

子の閉じ込めを左右する高エネルギー粒子駆動

エネルギー粒子閉じ込め解析コードMEGAをベー

２．核燃焼プラズマ解析のための計算モデル開つの研究テーマに取り組んできました。エクサ

計算工学ナビ Vol.18に多くの学会賞も受賞し、次世代の核融合シミュ

した。

対する実証研究を進め、水素プラズマと重水素

サスケール計算が必須です。本サブ課題では３つのターゲットコード、大域的乱流輸送解析コー

4

核燃焼プラズマ計算モデルに関しては、マルチMHD現象についての実証研究を進め、msecオー

ダーのMHD 不安定性が数10〜100msec のイン位体効果は三重水素を含むITERの閉じ込め特性

合科学研究所の大型ヘリカル装置（LHD: Large

年に開始された重水素プラズマ実験に先駆けて遂げました（図）。MEGA では核反応生成α粒▲LHDの重水素プラズマ閉じ込め性能予測[http://www.nifs.ac.jp/press/170410.html]

ポスト「京」重点課題⑧

近未来型ものづくりを先導する革新的設計・製造プロセスの開発

各サブ課題 研究開発成果の概要

サブ課題 A 設計を革新する多目的設計探査・高速計算技術の研究開発
宇宙航空研究開発機構
宇宙科学研究所准教授

大山 聖

数の実問題ベンチマーク問題において、開発したCheetah/Rが優れた性能を示すことを確認しています。また、富岳での大規模計算を見据えた予備計算として、重点課題８サブ課題 B・マ

ツダ株式会社と連携して車両の空力設計最適化

ABINIT-MP ( 重点課題６アプリ）＋WHEELによる、京 micro キューを用いた6000ジョブ自動実行を実現し、キャパシティ・コンピューティング

事例におけるWHEEL の有用性を確認しています。また、サブ課題 Cと連携し、FFBによるボッを実施しました。これにより、比較的少ない設クスファン最適設計ワークフローを構築し、性の質的・時間的ブレークスルーを実現する新設できることを確認しました(図)。

実行するワークフローを構築しました。ここでは、としています。具体的な達成目標として以下のF アルゴリズムの開発を行いました。時間領域

ワークフローを試行中です。

(a)大規模計算環境において高効率な多目的設計

どの応用が見込める放物

サブ課題 Aは、製品のライフサイクルにわたるコスト低減や高品質化に貢献できる意思決定
計基盤を整備し、産業競争力強化の実証を目的

３つを定義しています。

計評価回数でも特徴的な関係を抽出することが高速計算技術は、時間領域並列化法、低 B/

並列化法は、材料設計な

最適化アルゴリズムを開発し、実設計問題に適型方程式で200倍以上の(b) 高速計算技術を多くの分野で利用可能なフF アルゴリズムは、88コ

用して、その有効性を実証する。

レームワークとして整備し公開する。

(c)多目的設計探査処理をワークフロー WHEEL

アのメニーコア環境において80倍以上の優れたス

レッド並列性能を達成す

略プログラムで開発された多目的設計最適化ア

ルゴリズムを開発しました。

技術を開発・実装することにより制約条件が厳関 し て は、 ウ ェ ブ ブ ラ

プリCheetahをベースとし、M2M分解などの新る画期的な疎行列反復ア

設 計 ワークフロー にしい実問題においても短時間で優れたパレート

ウ ザ で 動 作 す るワーク

発しました。マツダベンチマーク問題などの複ル WHEEL を 開 発 し、最適解がえられる改良を加えたCheetah/R を開複数の計算資源にわたる複雑かつ長時間の解析

短時間化を果たし、低B/により自動化し、サブ課題間連携に適用する。

多目的設計最適化アルゴリズムの開発は、戦能と騒音の２目的最適化を、Cheetahを用いてフロ ー 構 築・ 実 行 ツ ー▲正対風時抵抗値の最小化と横風時抵抗最小化のトレードオフ

サブ課題 B リアルタイム・リアルワールド 自動車統合設計システムの研究開発
神戸大学大学院
システム情報学研究科
教授

坪倉

誠

を行い、対「京」性能向上比として25.6倍の高た。また、基礎方程式として非圧縮性流体と圧られた車体形状と空力性能の関係を教師データ

ンネット周りの微小隙間から発生する狭帯域音速化を達成しました。さらに多目的最適化で得としてニューラルネットで学習させることを試みました。この結果、8つの設計変数に対して

縮性流体を統一的に扱える方程式を採用し、ボの直接解析を実現しました。さらに流体運動と構造変形を統一的に扱える連続体方程式を採用

サブ課題 B では、デザイナと技術者が協調し100個体程度の教師データを用いることで、5%することで、流体と構造が強連成するような問速で高精度なリアルタイム空力性能評価システとが可能となりました。現在は、パレート曲面

キ（株）から提供されたホワイトボディを対象といった複数の物理現象が連成しあう実走行環

固有直交分解を行い、機械学習処理により重要

流側での全体俯瞰設計を実現するリアルワール

リアルワールド解析では、実開発 CADデータにリアルタイム解析においては、シミュレーション

化、タイヤ回転を考慮てコンセプトデザインを実現できるような超高ム、さらに空力のみならず音波、熱、構造変形

境下での性能評価、多目的最適化による設計上程度の誤差で空気抵抗をほぼ瞬時に予測するこ近傍の解に対して共通な流れ構造を抽出すべく、
動的モードを抽出することを試みています。

ド統合設計システムの開発を進めてきました。

対してコーナリング時の車体運動、前輪舵角変データ構造として階層直交格子と埋め込み境界

した実走行時の非定常

発 CADデータからデータ修正を行うことなくダた。また、ドライバー

非構造格子を用いた空力解析と比較してプリ処デルを組み込むことで法に基づく格子作成法を採用することで、実開イレクトに計算メッシュを作成することに成功し、を進めその有用性を検討しています。10分程度
でメッシュ作成が可能（一般的な有限要素法ではひと月程度）であり、特にプリ処理に対して既存手法に対する利点があります。

反応を含む車体運動モ

車体運動と空力との双いて、サブ課題 A 及びマツダ（株）と連携して、し、突風や急なハンド

方向連成解析を可能と数百ケースに及ぶ車両空力の多目的形状最適化

ル操作時の車体の運動化の促進を中心とするプログラムチューニング

ることを可能としましを実現しました。また「富岳」に向けて、SIMDとして、オイラー型構造解析に基づく剛性解析

空力解析を実現しまし

理を含めて数十分の一に解析時間を短縮することに成功しました。この解析フレームワークを用

題への適用も可能にしています。現在は、スズ

挙動を高精度に予測す▲ボンネット周辺から発生する狭帯域音の直接解析 協力：スズキ（株）

5

◆ 計算工学ナビ・レポート

ポスト「京」重点課題⑧

近未来型ものづくりを先導する革新的設計・製造プロセスの開発

各サブ課題 研究開発成果の概要

サブ課題 C

東京大学生産技術研究所
革新的シミュレーション
研究センター
センター長・教授

加藤 千幸

数十億から数百億の格子を用いた大規模計算

準直接計算技術を活用したターボ機械 設計・評価システムの研究開発現しました。この成果を「富岳」に適用し、「京」

以下のメモリ使用量で10倍以上高速な計算が可

一方、FFXの開発に関しては、計算格子の自動計算格子を完全に自動で作成することができるたに対して約20倍のノード性能を達成しました。
作成機能を具備する解析システムを開発し、一め、自動車の空力・音響計算などの複雑形状まクテストにより、FFBと同等の予測精度を有する

ンの性能と騒音の予測結果（FFB）、および、チャ用いて約2.2兆グリッドの大規模格子の自動生成

誌面の制約により、実験等との比較は示していま様等方性乱流、チャネル乱流などのベンチマー

により、ループ試験や水槽試験に匹敵する予測ことを確認しました。また、「京」のほぼ全系をような計算を実用化するためには、必要な計算と並列計算が可能であることを示しました。同じ精度を実現できることは証明済みですが、このリソースの大幅な削減と計算格子の作成時間の能です。FFXシステムは任意の複雑形状に対して、計算格子であれは、FFXはFFBと比較して1/10

わりの流れの予測に適用しています。ボックスファ
ネル乱流の予測結果（FFX）を下図に示します。
せんが、これらの予測結果は実験値やDNS（乱流の直接計算）結果とほぼ一致しています。

短縮が課題でした。そこで、重点課題8Cでは、FFBの大幅な高速化に取り組むとともに、計算格子の完全自動作成が可能な、格子ボルツマン法ベースの新たな流体解析システムFFXを開発しました。

FFBの高速化に関しては、デー

タのロード効率を徹底的に見直することにより、ほぼ全てのホットカーネル（主要な計算部分）
に対して、「京」を用いて、実効最大値46 GB/sec の8割以上にあたる、メモリ転送速度40GB/

secを達成し、2倍の高速化を実▲ボックスファンの性能・騒音予測結果（左：FFB）とチャネル乱流の予測結果（右：FFX）

サブ課題 D 航空機の設計・運用革新を実現するコア技術の研究開発
宇宙航空研究開発機構
宇宙科学研究所准教授

高木 亮治

これまで解析で評価できなかった航空機空力設計課題（航空機離着陸時の最大揚力の予測、
遷音速バフェットの予測）を、設計に使えるレキー技術です。壁面モデルLESを用いることで、と形状壁面モデル（IB 法）により、実機詳細形

レイノルズ数での遷音速バフェットの予測や後FFVHC-ACEは階層型等間隔直交構造格子法

状周りの解析が可能となりました。図に実機詳

細形状の解析例を示します。

析を高速・高精度で実現可能な圧縮性乱流解析

ナセルは勿論のこと、高揚

FFVHC-ACE では階層型等間隔直交構造格子法

ト、取付装置）、ランディン

力装置（フラップ、スラッ

グギアなども考慮した全機

モデル LES）を選択することが可能です。形状FFVHC-ACEでは、機体形状

ような複雑形状に対しても高速かつ自動で計算与えると、解析に必要な計法を用いたものと、比較的単純な形状向けに高実施。本解析では計算格子

壁面モデルに関しては、航空機実機詳細形状の格子生成を実現する IB（Immersed Boundary）

形状の解析を行っています。

データとしてSTLファイルを
算格子を自動作成し解析を

精度解析を実現するレイヤー格子法が用意されの作成時間は数十分であり、れの高精度乱流解析は本来であれば「富岳」をされ、計算全体でのターン

デルLESを適用することで、高精度乱流解析に献しています。

ています。実飛行条件である高レイノルズ数流

持ってしても現実的ではありませんが、壁面モ

計算工学ナビ Vol.18

縁失速の予測に成功しています。

翼（水平、垂直）、エンジンと目的別壁モデルを採用しており、解析目的に応じて適切な壁モデル（形状壁面モデル、壁面

現実的な計算規模でこれまで不可能であった高ここでは離着陸形態を表現するため、機体、主翼、尾プログラムFFVHC-ACEの開発を行ってきました。

壁面モデルLESは、実機飛行条件の高レイノ

ルズ数流れの高精度乱流解析を実現するための乱流解析が可能となります。

ベル（精度、解析時間）で解析可能とするために、
実飛行条件での実機詳細形状全機周りの空力解6必要となる計算格子点数を劇的に削減することが可能となり、「富岳」で実飛行条件の高精度

従来と比較して劇的に短縮

アラウンドの短縮に大きく貢▲実機詳細形状まわりのテスト計算

サブ課題 E 新材料に対応した高度成形・溶接シミュレータの研究開発
東京大学大学院
新領域創成科学研究科
教授

奥田 洋司

ル化すると数十〜数百億要素になると試算されます。このように超大規模な解析モデルが想定される一方で、各部品・各部位だけでも数十パプの最内にある反復解法の収束閾値を自動調節することで時短化を図りました。また、反復解法が収束しないとき、オンメモリでパラメータをスの溶接工程が含まれ、全工程に渡る解析ステッ

調整しリカバリするカットバック機能を導入し、工業製品の製造現場において根幹となる基礎工されます。また、その各ステップで、熱弾塑性

ら計算が再開・継続できるようにしました。

んできました。溶接工程は、局部的な加熱・冷

センブリ／接触状態を考慮するため、材料非線条件設定が不可欠ですが、実証例題のように複て、予測が難しい変形や残留応力による割れな

こうした複雑かつ大規模な解析を、安定かつした入力条件の設定が非常に煩雑な作業となり験に頼る部分も大きい工程です。CAE の活用

た。一つ目は、「アセンブリ／接触問題の大規模統一的に扱うためのプリポストソフトウェアの開観点から十分な活用がされていないのが現状で

ブリ／接触を考慮すると、得られる係数行列がFrontISTRをベースに「高度成形・溶接シミュレーが採用されてきましたが、一千万自由度を超え最終年度では、産業分野からのニーズに基づにくくなります。そこで、陽的自由度消去法とサブ課題 E では、自動車をはじめさまざまな

プ数は、数十万〜数百万ステップに渡ると試算程である、溶接工程をターゲットとして取り組はもちろん、母材の固定などがある場合にはア

却によるひずみや溶接金属の収縮などによっ

形・境界非線形の両方の考慮が必要です。

どを引き起こすこともあり、熟練工の知恵や経が期待されていますが、計算規模・計算時間のす。そこで大規模非線形構造解析ソフトウェア

高速に進めるため、２つの課題に取り組みまし解析が可能な並列反復法の構築」です。アセン

非正定値行列となることから、従来、直接解法

万が一発散しても、収束が得られていた時点か

さらに、実際の溶接工程に沿った入熱などの雑な形状をもつ機械・構造物においては、こうます。本プロジェクトでは、複雑な溶接工程を発も並行して行っており、そうした複雑な入熱設定が GUIベースにおこなえるよう機能拡張を行いました。

得られた研究・開発成果は、研究協力をいた

たあたりから十分なスケーラビリティが得られだいた産業界の方にフィードバック・共有し、き、２つの実証例題（大型望遠鏡架台部、クレー

いうテクニックを用い、係数行列を正定値化し推定の高精度化・高精度化に資するツールとしも数メートル〜数十メートル級の機械・構造物

は、実証例題に適用することで顕在化してきたタ」の研究開発を進めてきました。

ンマスト）への適用を進めてきました。いずれである一方、溶接金属の収縮などを高精度に予測するためには、溶接部付近で数μm 〜数 mmの細かなメッシュサイズが必要で、全体をモデ

たうえで反復解法の適用を行いました。２つ目
既存アルゴリズムの不安定性に対する取り組みです。多重ループからなる非線形問題ですが、Newton-Raphson反復の閾値に応じて、多重ルー

溶接工程における溶接順序探索及び逆ひずみ量て役立てられるよう、引き続き取り組みつづけたいと思います。

（成果画像は表紙を参照）

サブ課題 F マルチスケール熱可塑 CFRP 成形シミュレータの研究開発
東京大学生産技術研究所
教授

吉川 暢宏

によるシミュレーション結果から全体の強度をるものと乖離する問題が顕在化し、均質化モデとまで可能にしました。プリプレグシートは薄トエンジン実部品を模擬したモデルのシミュレー

支配する部分を抽出しズーミング解析を行うこさ100ミクロン程度であり、シート1枚ごとの正確なモデル化をジェットエンジン部品全体につ成形性と比剛性・強度の両立に期待して熱可塑 CFRP を機械材料として活用する試みがなされていますが実用化例は多くはありません。強度に関する信頼性を確保する有効な手段がない

ことが主因であり、熱可塑樹脂自体の強度不足に加えて昇温成形により生じる強度のばらつき

ルの妥当性を検討中です。試みに行ったジェッションからは、プレス成形型とCFRP 部品の接触面において複雑な力学場が発生し、加圧時おいて行うことは「京」の計算資源をもってしてよび加圧後冷却過程を通じて、時間的にも空間た試験片の成形シミュレーションによるバリデーの変化を定性的に理解することは難しく、「富岳」も不可能です。現状、実物をスケールダウンし的にも劇的に変動することがわかりました。そションまで終了しています。均質化モデルによにより実部品クラスの大規模シミュレーションがしたが、積層界面の力学場がミクロモデルによ支援するソフトウェアが必要であると思われます。

り成形後のマクロ変形を再現することは可能で実施可能となっても、得られたデータの解釈をが大きいため、最小強度を保証する保守的な設計を行わざるを得ないのが現状です。強度のば

らつきは温度変化に伴い材料内部に生ずる複雑な応力再配分機構に因ります。その機構を解明し製造と設計に有益な知見を提供することを目
的に熱可塑CFRP成形シミュレータを開発しました。ジェットエンジン部品の開発を支援するため、一方向に炭素繊維を配し熱可塑樹脂と複合化したプリプレグシートを積層し加熱および加圧す

る成形プロセスを忠実にたどることを可能にしました。プリプレグシートは直交異方性材料としてモデル化し、材料パラメータを炭素繊維と樹脂からなるユニットセルに関する非線形解析か

ら均質化法に基づき決定。均質化されたモデル▲熱可塑 CFRP 製ジェットエンジン部品のプレス形成ズーミング解析

7

今号の表紙ポスト「京」重点課題⑧ サブ課題 E
FrontISTR をベースに開発した高度成形・溶接シミュレータにより、ター
ゲット問題の一つである大型望遠鏡架台部のアーク溶接工程をシミュ
レーションしました。図は、熱応力解析結果を可視化したものです（表示は相当応力 [MPa]）。メッシュの詳細化と熱弾塑性の考慮による精度の向上が期待されています。
東京大学大学院新領域創成科学研究科 奥田・橋本研究室 特任研究員

林 雅江

編集後記

今号は、「ポスト『京』で重点的に取り組むべき社会的・科学的課題に関するアプリケーション開発・研究開発（重点課題）」を特集しました。
プロジェクトは、調査研究・準備研究フェーズを経て2016年度から本
格的な研究開発フェーズに入り、いよいよ今年度をもって完了となりました。特集記事では、重点課題⑥および重点課題⑧の各サブ課題責任者らに5年間に及ぶ研究開発の成果の概要をご執筆いただきました。
また、重点課題⑧課題責任者の加藤千幸教授には、重点課題⑧の5年間を振り返り、得られた成果について語っていただきました。

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計算工学ナビ Vol.18
発行日： 2020年3月4日
発

行： 東京大学生産技術研究所
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