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自動車開発を支えるスーパーコンピュータ～京がひらいた次世代の空力シミュレーション～
理化学研究所計算科学研究機構 チームリーダー
神戸大学大学院システム情報学研究科 教授
坪倉 誠
tsubo@tiger.kobe-u.ac.jp
スパコンを知る集いin大分～「京」からポスト「京」へ～
2018年2月10日（土） 15:15～15:55
大分市 コンパルホール
RIKEN ADVANCED INSTITUTE FOR COMPUTATIONAL SCIENCE

自動車開発で活躍するシミュレーション2

日本の自動車産業の現状
2013年の国内主要製造業の出荷額

2014年の主要商品別輸出額• 我が国の基幹産業– 自動車関連就業人口：550万人、8.7%– 自動車工業の出荷額：52兆円、18%– 自動車の輸出額：15兆円、20%• 激しい国際競争

JAMAホームページより– 世界第三位の生産台数（中、米、日、独、韓…）– 日本車メーカーの生産量：世界シェアの1/3
国内生産：1000万台、海外生産：1700万台

2372万台1100万台
978万台
591万台

国土交通省ホームページ• 環境負荷低減の責任– 日本のCO2排出の15%は自動車
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自動車開発で活躍するシミュレーション

現在の自動車の作り方（設計・開発のプロセス）
設計・開発で発生する様々な衝突
エンジニアによる性能評価

デザイナーによるコンセプトデザイン

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
操縦安定性

性能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• デザイナーとエンジニアの衝突– デザイナーの提案通りでは性能を達成できない– 形を変更することにデザイナーは消極的• エンジニア同士の衝突– それぞれの性能評価は別の人がする– 一方の性能を達成するために他の性能が犠牲になることがある• これらの衝突が、開発の時間やコストを増大させる

自動車開発で活躍するシミュレーション

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（紙ベースのデータ）

現在のコンピュータ（CAD）による図面（デジタルデータ）

日本の自動車会社は、積極的にCAEを導入することで、国際競争力を強化してきました．

4自動車開発で活躍するシミュレーション

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衝突安全性シミュレーション• 衝突試験をシミュレーションに置き換えることで莫大な費用を削減– 試作車１台１～２千万円、100回の実験で20億円の費用

左：JARI提供、右：マツダ（株）提供– ダミー人形からバーチャル人体モデルへ
トヨタが開発したTHUMS

全面衝突

歩行者障害

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内臓損傷評価自動車開発で活躍するシミュレーション

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エンジン内燃焼シミュレーション• 実験では見えないエンジンの中身を探る– 効率的な燃焼のための、内部形状、タイミング、燃料混合を探る
マツダ（株）提供

流体の速度ベクトル

流体の温度– スパコンによる最新のシミュレーション
エンジン壁への熱損失（左）と渦構造（右）堀司先生（2015）提供

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自動車空力シミュレーション

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本日の主役：自動車の空力設計とは？
揚力• 走行する自動車が空気から受ける力：空気力• 空気力の分解：三つの力とモーメント

ﾖｰｲﾝｸﾞﾓｰﾒﾝﾄ横力– 抵抗力：燃費

ﾋﾟｯﾁﾝｸﾞﾞﾓｰﾒﾝﾄ– 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です
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抵抗力

自動車空力シミュレーション

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空力（空気力）とは？
•スポーツ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•

R.A.ディッキー（トロント）のナックルボール

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。

マスターズ7番ホールでのタイガー
ウッズの3Wティーショット

空気の流れ

空気の流れ

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抵抗力

揚力

自動車空力シミュレーション

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空気力を利用する•

飛行機が空を飛ぶ

A380初飛行（トゥールーズ, 2006）– 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…

空気力を上手に利用して性能のいい車を作ることが空力開発の大きな目標！
9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
– 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– 設計開発の最後の最後でしか行えない• 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

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！

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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••

世界最速スパコンの性能は、１０年程度で自動車会社が使えるようになる「京」スパコンを使えば、「自動車ものづくり」の未来を見ることができる「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
テスト計算

テラ（T）FLOPS級

ギガ（G）FLOPS級
1990

2000

2010

2000
時間平均解析

2010

2020
時間変動解析

ペタ（P）FLOPS級

リアルワールド解析

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

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

近似の仕方

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、数十億～数百億以上）

コンピュータでしかできません13

自動車空力シミュレーション

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スパコンが明らかにしたゴルフボールの秘密•

ボールの飛行速度が遅い場合•ボールの飛行速度が速い場合

14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！
– 所詮は風洞実験の手助け…（主役は風洞）– 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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「京」スパコンによる大規模空力解析による高精度空力予測•

3500万要素の汎用スパコンと23億要素「京」スパコンの比較– どの程度の解像度で風洞実験に匹敵する精度が得られるのか？
– 車体形状の変化に伴う抵抗の微妙な変化を捉えられることができるか？

2～10[mm]

0.5～2.5[mm]16

「京」スパコンによる大規模空力解析による高精度空力予測

2～10[mm]

0.5～2.5[mm]17

「京」スパコンによるデジタルオンロードテストの実現•

風洞試験とリアルワールドとのギャップ− 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

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高速走行時の安定性の解明•

高速走行で蛇行運動した際に安定な車（欧州車）と不安定な車がある– サスペンションシステムのみでなく、空気力学的な影響があることが最近の研究でわかってきた– テストドライバー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
-1

0

1

Z=0.9[m]改良車両

「京」でできたこと，「ポスト京」でめざすこと

20• 「京」はものづくりの未来予想図！10年後の、スパコンを使った未来のものづくりを、を予想することができる• 風洞実験をシミュレーションに完全置き換え、さらには風洞を超える新たな安全性評価が可能に• 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
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ポスト京が実現する次世代の自動車の作り方
CAEを基盤とした現在の自動車設計プロセス
エンジニアによる各種性能評価

デザイナーによるコンセプトデザイン

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
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

操縦安定性
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全体を見渡す性能評価
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（ふかん）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

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