自動車開発を支えるスーパーコンピュータ～京が拓いた次世代の空力シミュレーション～
神戸大学大学院システム情報学研究科 教授
理化学研究所計算科学研究機構 チームリーダー
坪倉 誠
tsubo@tiger.kobe-u.ac.jp
スパコンを知る集いin仙台～「京」からポスト「京」へ～
2016年3月19日（土） 15:15～15:45
仙台市情報・産業プラザ
RIKEN ADVANCED INSTITUTE FOR COMPUTATIONAL SCIENCE

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自動車開発で活躍するシミュレーション

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コンピュータ支援エンジニアリング（CAE）•

自動車開発では数多くのシミュレーションが大活躍！
– 設計図面のデジタル化（1990年代）をきっかけに発展– 自動車をより速く、安く作ることに大きく貢献

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）

自動車開発で活躍するシミュレーション

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シミュレーションの活躍例•

衝突安全性試験– 試作車は一台2千万円（一車種で合計数十億円）、一回の衝突実験でパーシミュレーションをすることで、試作車を作る費用を劇的に減らすことができる•

左：JARI提供、右：マツダ（株）提供

エンジン燃焼実験– エンジンの中で何が起こっているのか，実験では観察が難しい
シミュレーションをすることで、エンジンの中の様子を理解することができる

右：マツダ（株）提供

応用空気力学

ボールが空気から受ける力（空気力）•

ボールの不思議な挙動
1997年コンフェデ杯でのロベルトカルロスの伝説的フリーキック•

スパコンで調べたゴルフボールの周りの流れ（Li et al, 2015）
色はボール回りの流速、灰色は渦構造

空気中をモノが動くと、空気から力を受ける– 抵抗力：空気の流れの方向に働く力• モノの運動を妨げようとする– 揚力や横力：空気の流れに直角に働く力• モノの運動の方向を変化させようとする– 曲がるサッカーボールでは、回転により微妙な横力が発生している（メカニズムは今も研究中）

空気の流れ

空気の流れ

抵抗力

揚力4

応用空気力学

空気力を利用する•

A380初飛行（トゥールーズ, 2006）

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
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？
– 上手に利用しないと事故に…
• 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…

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自動車の空力設計

6

自動車の空力設計とは？
揚力
ﾖｰｲﾝｸﾞ
• 走行する自動車が空気から受ける力：空気力
ﾓｰﾒﾝﾄ
横力• 空気力の分解：三つの力とモーメント
ﾋﾟｯﾁﾝｸﾞﾞﾓｰﾒﾝﾄ– 抵抗力：燃費– 揚力（持ち上げる力）：走行安定性– 横力：横風安定性・安全性

ﾛｰﾘﾝｸﾞﾓｰﾒﾝﾄ• 自動車の周りの空気の流れに関係する設計– エンジンの冷却：耐久性– 車室内の熱環境，空力騒音：快適性– ワイパー：視認安全性– 泥はね、着雪：特殊環境対応

表面を滑らかにすることによる抵抗の変化

燃費，運動性能，冷却性能等をバランス良く設計するのは大変難しい

抵抗力

自動車の空力設計

空力シミュレーションの歴史

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自動車空力設計の難しさ•

Form never follows function?!
(Contrary to Louis H. Sullivan, 1856-1924)− デザイナー（form） vs. 空力エンジニア（function）− 性能を追求しすぎると、カッコ悪くなる？
− 性能を追求する（冒険する）場合はうまく新コンセプトをマッチさせる
Jaguar E-type (1961): CD~0.4?

Honda Insight 一代目(1999): CD~0.25•

Toyota Prius三代目(2009): CD~0.25

Mercedes CLA(2013): CD~0.23

BMW i8(2014): CD~0.25

究極の空力設計− デザイナーがどんな形を持ってきても、基本コンセプトを崩さずに空力性能を達成すること
空気抵抗低減効果（Suzuki, 北大）− 流れのパッシブ制御− 流れのアクティブ制御

自動車の空力設計

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空気力を計測する方法（道具）
•

風洞実験

BMW風洞

– 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•

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– 解像度が悪いと精度が悪くなる
BMWトラックテスト

それぞれの道具を設計の各プロセスで上手に使いこなすことが大切！
8

自動車空力シミュレーション

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空力シミュレーションとは？（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

9

自動車空力シミュレーション

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空力シミュレーションとは？（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10自動車空力シミュレーション

昔の空力開発プロセス
キックオフ

戦略目標

ターゲットの固定ターゲットの調整

コンセプトデザイン

テーマデザインデザインの固定

図面おこし

開発の完了

プロダクトデザイン

コンピュータグラフィックス
1/5 クレイモデル

評価対象

実験用
モデル

Parametricstudy bya database

抵抗 (CD)

実スケールクレイモデル

Prototype
プロトタイプ(Underhood)

揚力 (CL) ( 高速安定性 )

評価手法

熱害予測
風騒音，泥はね

風洞実験
実走テスト

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自動車空力シミュレーション

現在の空力開発プロセス
キックオフ

戦略目標

ターゲットの固定ターゲットの調整

コンセプトデザイン

テーマデザインデザインの固定

図面おこし

開発の完了

プロダクトデザイン

評価手法

評価対象

実験用
モデル

Parametricstudy bya database

コンピュータグラフィックス
1/5 クレイモデル
抵抗 (CD)

実スケールクレイモデル

Prototype
プロトタイプ(Underhood)

揚力 (CL) ( 高速安定性 )
熱害予測
風騒音，泥はねコンピューターシミュレーション
風洞実験

昔の風洞実験の多くを今はシミュレーションで代替！

実走テスト

6

自動車空力シミュレーション

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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
1980

自動車会社の1990
スパコン

テラ（T）FLOPS級

ギガ（G）FLOPS級
1990

2000

2000
時間平均解析

2010

テスト計算

ペタ（P）FLOPS級

2010

2020
時間変動解析

リアルワールド解析

会社での開発1980～90年

1990～2010年

2010～20年

2020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
30

自動車空力シミュレーション

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シミュレーションで、自動車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– ここ20年で大きく普及（既に無くてはならない基盤技術）– 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…
– 安価な大衆車では、開発経験が浅いアジア勢が積極的にシミュレーション技術を活用（使う道具が同じになれば、やがてはおいつかれてしまう）– 性能が重要な高級車では、膨大な経験を有する欧米車が一日の長（経験を理屈で補わない限り、追いつけない）

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大規模シミュレーションの可能性

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HPC-LESの自動車空力への展開•

HPCによる自動車用次世代空力・熱設計システムの研究開発（2012年～）
14 members of industrial OEMs and suppliers

7 academic members

8「京」コンピュータが実現した次世代空力シミュレーション• 「京」コンピュータは会社の汎用スパコンの千倍速い• いままでとは違う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• 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

風洞実験の代わりではなく，実験ではできないことが鍵！

20

次世代自動車空力シミュレーション

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デジタル自動車風洞の構築（1）•ホンダ実車風洞（栃木県さくら市）を「京」上に構築（60億非構造セル）— ムービングベルトを装備した最新型実車風洞（世界トップクラスの性能）•

160km/hテスト走行時の車体姿勢を考慮

揚力による姿勢変化を考慮

タイヤ変形
形状を考慮

次世代自動車空力シミュレーション

デジタル自動車風洞の構築（2）18次世代自動車空力シミュレーション

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自動格子細分化機能•

格子トポロジーを変えずに格子を自動細分化– 数千万要素格子から，自動で超大規模格子を作成– 要素形状スムージング機能を搭載• テトラ格子の場合，各要素の中央に現れる細分化格子の品質維持が課題• Laplacianスムージング

Laplacian smoother:∑– オリジナルデータへのマッピング機能搭載
1mm 表面格子4mm 表面格子

次世代自動車空力シミュレーション

20大規模空力解析による高精度予測（1）•3500万要素フルテトラ格子をもとに二度の自動細分化で23億要素格子を作成– リファインにかかる時間（２段階目：30分@「京」）– 4秒/step using 4096 nodes
総要素数

表面解像度

格子作成時間フルテトラ（オリジナル）3500万2～10mm

2~3 hours

フルテトラ（細分化後）

23億0.5～2.5mm

2~3 hours

Spatial resolution
near vehicle 2～10[mm]

Spatial resolution
near vehicle 0.5～2.5[mm]次世代自動車空力シミュレーション

21

大規模空力解析による高精度予測（2）汎用スパコン（3500万要素テトラ）「京」スパコン（23億要素テトラ）

次世代自動車空力シミュレーション

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大規模空力解析による高精度予測（3）
Exp.

1.10
1.08

1.08

1.07

Coarse
1.06

1.06

Fine

Normalized Drag

1.04
1.02
1.02
1.00

1.02

1.001.00
0.99

0.99

0.98

0.98

0.97

0.97

0.96
0.94
0.92
0.90
+0.5

‐2.5

‐7.5

‐12.5

Slant Angle (deg.)••

3500万（2mm）から23億（0.5mm）に解像度を高めることで、全てのケースで風洞計測値に対して2%以内の誤差で抵抗予測を実現
屋根後ろ部分の形状変化に対する空気抵抗変化を再現

次世代自動車空力シミュレーション

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風洞実験評価からリアルワールド評価へ•

風洞試験とリアルワールドとのギャップ

Road bump− 風洞実験は理想的すぎる？
− 風が車の走行に与える影響は？ドライバーの運転の影響は？
− 特にヨーロッパ車はこのような高速走行安定性に優れている．

•

変動風や車体運動を模擬した実験− 研究レベルでは可能でも、実際の設計開発で使うのは難しい
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

次世代自動車空力シミュレーション

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蛇行運動時の空力安定性メカニズムの解明•

高速蛇行運動時の安定性– テストドライバー官能試験で優位な差が確認されている車両でテスト
基準車両

基準車両の各所に空力パーツを付加

Z=0.6[m]Total Pressure Coefficient-101

Z=0.9[m]改良車両

次世代自動車空力シミュレーション25

蛇行運動時の空力安定性メカニズムの解明•横風突風遭遇時の安全性解析– 自動車の運動、自動車の回りの流れ、ドライバーの反応をすべて組み込んだシミュレーション– 横風時に遭遇した際、ドライバーがどのように反応し、自動車がどのように動くかが予測できる– 青（オリジナル）と赤（改善モデル）で比較、改善モデルはハンドル操作量が少ないことがわかる

ドライバーのハンドル操作の比較（青：オリジナル、赤：改善）「京」でできたこと，まだできないこと

20• 「京」を使って10年先（次世代）の未来を予想できた– 今から10年程度で，低価格化で「京」クラスのスパコンが民間会社に• 風洞実験の「模倣」から風洞を超える新たな計測技術として（1）超高解像度渦シミュレーション（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• もっとスピードを上げたい→

リアルタイムシミュレーションの実現– 現在は数秒間の気流を再現するのに一週間以上かかる• もっとたくさん調べたい→最適化シミュレーションの実現– 形を最適化して空力性能をもっと良くしたい（開発では数十～数百ケース）• もっと他の部署と連携したい→プロセス統合シミュレーションの実現– 空力の他，衝突や振動等，他の設計プロセスのシミュレーションとの連携

20

ポスト京で目指すリアルタイムリアルワールドシミュレーション

27

CAEを基盤とした現在の自動車設計プロセス
エンジニアによるCAE各種性能評価

デザイナーによるコンセプトデザイン（マツダ 「勢」 より）

デザイナ vs. エンジニア（横の衝突）

衝突安全

試作車の完成エンジニア vs. エンジニア（縦の衝突）

空力・熱害

××

構造・強度

振動・騒音

http://car.watch.impress.co.jp/docs/news/impression/20121205_5772
50.html より

操縦安定性

CAE評価では想定できなかった問題
各種性能間の調整・連携不足

設計変更に伴う時間・コスト増
ポスト京で実現する革新的設計プロセス
デザイナーとエンジニアが連携したコンセプトデザイン

エンジニア連携によるCAE統合性能評価
衝突安全

空力・熱害

設計段階で想定した性能の試作車が完成
統一連成解析

振動・騒音
車両運動、大気外乱

熱・空力解析

構造・タイヤ変形解析

多目的最適化による全体俯瞰設計
リアルタイムシミュレーションによりデザイナーの提案形状を即座に性能評
価（サブ課題Aと連携）

構造・強度
操縦安定性

実走状態を再現したリアルワー
ルドシミュレーションによる高信頼評価

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謝辞
理研AICS複雑現象統一的解法研究チーム

••
••••
•

北大計算流体工学研究室応用空力チーム

HPCI自動車コンソーシアム

東大生研 加藤千幸先生、革新的シミュレーション研究センターの皆さん
北大 大島伸行先生
広大 中島卓司先生、空力チームの皆さん
理研 小野謙二先生、理研スタッフの皆さん
山梨大学 岡澤重信先生（株）数値フローデザインの皆さん
ここでは紹介できなかった連携企業の皆さん