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.

1

Quarterly News Letter Fall 2013

創刊に寄せてものづくりとシミュレーション 加 藤 千 幸
シミュレーションの 現 場 から

住友ゴム工業／ダンロップスポーツ

ソフトウェアライブラリ

FrontCOMP
提供：理化学研究所 計算科学研究機構 可視化技術研究チーム

計算工学ナビ創刊に寄せてものづくりを革新する
HPCシミュレーションの可能性を伝えたい
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のセンター長であり、国 家プロジェクト『 次 世 代スーパーコンピュータ戦 略プログラム分 野 4・次世代ものづくり』を統括する加藤千幸教授による創刊のごあいさつ。
ここで言うシミュレーションとは何なのか。今後の議論の前

加藤千幸 教授

会 が多 いでしょう。そうした 適 用 範 囲 のひとつに「ものづく提なので、まずこの点を簡単に整理しましょう。

り」があり、シミュレーションの効果が大きい分野のひとつで広義のシミュレーションを「ある事象の結果がどうなるかをす。

予測すること」とします。避難訓練のときは、火事が起きたらすでに産業 界 の現場では、ものづくりのためのシミュレーどうなるかを予想して行動しますね。これもシミュレーションションが広く行われています。しかし、現在の最高性能のコンのひとつ。こうした予測をコンピュータの力で行うことを計算ピュータを使ってできるシミュレーションと現場のそれとの間科学シミュレーションと言います。当然、コンピュータの能力ににはギャップがあるのではないでしょうか。つまり、潜在的なコよって可能なシミュレーションは違ってきます。スーパーコン

ンピュータの能力がまだ生かされていない。現場のシミュレー

ピュータのように高速な計算機を使う領域をハイパフォーマン

ションで 使われるコンピュータは6 4コアくらいのものが一 般ス・コンピューティング（HPC）と呼び、『計算工学ナビ』で扱的。一方、『京』は6 4万コアです。1万倍の開きがある。大きなうのは、おもにこのHPCによるシミュレーションです。

ギャップです。ただし、このギャップは良いギャップとなり得ま

計算 科学シミュレーションは「 現象を記述する方程式の近す。我々の取り組みはこのギャップを他者に先んじて埋め、産似解を計算機で求めること」と言い換えることができます。た業競争力を生み出すことが目的です。

とえば、落下中のリンゴの1秒後の位置はニュートンの運動方
程 式を解くことで 予 測可能です。もちろん、実 際 の 複 雑な問より速く、より良いものを題に対して紙と鉛筆でこうした計算をしていてはなかなか答えがでないので、コンピュータの出番となります。コンピュータ

2018年から2020年頃には10万コアクラスのコンピュータがの能力が向上するにつれ、予測可能な現象は飛躍的に増えま産業界の現場に導入され始めるでしょう。現在と同程度のコスした。気象予 測や災害シミュレーションの結果は目にする機トで、およそ1, 0 0 0 倍の計算能力を使えるようになります。で増大するコンピュータの能力最先端と産業界の現場との間にはおよそ1万倍の性能ギャップ

コア

★
★

1000000

100000最先端

パースのーュピンコータ

Tianhe2
Sequoia★
京★

★

Roadrunner
BlueGene/L

産

10000

業界のC
HP

環境

2018年から2020年に★

10万コアのコンピュータが地球シミュレータ

産業界にも導入される。

1000

コストは10年で1/10 0 01001012000

2005

2010

2015

2020

2025

年

は、この計算能力をものづくりに活用することで、どんなこと3つです。

が可能になるのでしょうか。
まず、実 験をシミュレーションで 置き換えることができるようになります。たとえば自動車の空力試験を風洞ではなくコンピュータ上で行うことが 可能となり、モノを作って動かす必要がなくなる。もちろん、最終製品は作るのですが、設計、実験、評 価のサイクルから試作が 不 要になることで開発のプロセス

1

実験の代替ものを作らなくていいから開発期間が短くなる

2

現象の理解
より深く理解することで性能や信頼性を向上させる

3

最適設計
最適なパラメータをシミュレーションで探し出すが圧倒的に速くなるのです。図 1
また、高度なシミュレーションを通じて、より良い設 計が 可これらは産業競争力の源泉であり、とくにものづくりを主要能となります。自動車の乗り心地を改善するとしましょう。その産業に位置づけている我が国にとって、この分野で先行するこためには、自動車が急に曲がったときにどういう力を受け、どとは競 争力 維 持のため 不 可欠と言っていいでしょう。とは言ういう運動をするかといったメカニズムをより深く理 解するこえ、実務への導入は一朝一夕にはできません。2018年に到来とが前提です。シミュレーションは現象の深い理解に役立ちまするであろう10万コア時代を見据えて、今から実証研究や人材す。ただし、格段に違う製品を作るためには、格段に深い理解育成に取り組む必要があります。刻々と変動するビジネス環境が必要で、そのためには格段に高速なコンピュータによって格のなかにあって、その負担は小さいものではないかもしれませ段に詳細な予測をする必要があります。

ん。

ここまでは1,0 0 0倍の能力をひとつの高度なシミュレーショ

我々は産業界におけるそうした活動を支援しています。開発

ンに使う話でしたが、この能力を現在と同レベルのシミュレーしたシミュレーションソフトウェアはすべて公開し、トライアルションを同 時に1, 0 0 0 個 動かすためにも使えます。多 数のシに供しています。また、ワークショップやシンポジウムを通じてミュレーションを並列に実行することで、最適なパラメータを利用技術の共有を図っています。この『計算工学ナビ』もそう計算機のなかで 探すのです。設 計とは最適なパラメータの決した情報共有の一環としてスタートしました。今後継続的に、定であるとするなら、これは設計手法の革新に繋がると我々は研究者からの成果報告、産業界からの事例紹介、各ソフトウェ考えています。図 2

アの解説記事などをお 伝えしていく予定です。最新の 情 報については次のURLを参照してください。

産業競争力の源泉

http://www.cenav.org/
皆さんからのご質問やご要望も歓迎します。上記ウェブサイ

ものづくりにおけるシミュレーションの効果をまとめると次の

図1

自動車用次世代空力設計システム

トを通じてお寄せください。

提供：北海道大学、スズキ(株)北海道大学を中心に、自動車会社10社、サプライヤー3社、大学4校で結成されたコンソーシアムによる研究成果。従来レベルの3,500万要素（格子解像度2〜10mm）と世界最大規模の23億要素（0.5〜2.5mm）のモデルを生成し、空力計算の結果を比較したところ、3,500万要素では風洞実験に対して10％程度の誤差を示したのに対し、京を用いた23億要素のシミュレーションは2〜3%の誤差で空力抵抗を予測できることを実証した。この精度があれば車体形状の微 妙な変化も捉えることができ、自動車設計のプロセスに大きな変化をもたらす可能性がある。

図2

探査ロケット射点形状の空力音響設計

ロケットの打ち上げ時にエンジンから出る音響波は震動となってペイロードに大きな影響を与える。この音響波を最小限に抑える
射点の設計はJA X Aの研究課題のひとつ。設計の最適化に多目的進化計算を取り入れ、50 個体×50世代のシミュレーションを京を用いて行ったところ（6 , 5 0 0ノードで2 週 間以 上の計算時間）、形状設計に関する有益な知見が得られた。この方法により空力音響設計探査に成功したのは世界で初めて。

提供：JAXA

2ものづくりの現場から新しいシミュレーションへの挑戦が開発の指針を生み出す

住友ゴム工業
ダンロップスポーツ産業界の現場におけるシミュレーション活用をレポートするシリーズ第1回
は流 体 解 析を現 象 理 解に生かし、より魅力的な製 品の開 発につなげている住友ゴムの取り組みを、ゴルフボールの例を中心に紹介します。
ゴルフボール（公認球）には大きさや重さ、初速度、トータル飛距離などの制約があり、飛ぶボールを開発するのは難しい。

フボールは、毎分28 0 0〜3 0 0 0回転でバックスピンしながら、およそ63〜65m/sで飛び出す。
空 気中を飛ぶボールは空 気による抗 力、そして揚力を受けだが「ディンプルにはまだ設計の余地がある」と語るのは住友

る。抗力はボール前方で圧縮される空気と後方の空気 圧差にゴム工業株式会社研究開発本部の角田昌也氏だ。
ディンプルとはゴルフボール の 表 面にあるくぼみのこと。
ディンプルのパターンや形 状、深さは、ボールの飛距離を大きく変化させる。たとえば、深さを0.005mm変化させるだけで飛よって生まれる。つまり空気の流れがボールの後ろまで回りこみ、空気圧差が少なくなるほどボールはより良く飛ぶ。
もしゴルフボールがツルツルの球（滑面球）だったら、あまり飛ばない。滑面球の場 合、ボール表面の空気の流れが剥離すび方が変わる。
同社は1996年頃、ゴルフボールの空力研究を始めた。2001

る分離点はボールの前方に位置し、抗力が大きくなるからだ。

年からはゴルフ製品開発用のシミュレーション技術を「デジタディンプルはボール表面に乱流境界層を作ることで速度勾配ルインパクト」と名付けて展開してきた。20 09年にはアリゾナを大きくし、その結果、剥離 点が後ろにずれて、ボールの抗 力州立大学やメリーランド大学と共同研究で、飛行中のボールがが減少するのだと考えられている。

周りの空気からどのように抗力を受け、ディンプルをどんな形レイノルズ数が一定の値になったときに抗 力係数が急に小にすれば抗力（空気抵抗）が少なくなるのかを探った。当時はさくなる現象を「ドラッグクライシス」という。ディンプルはこ

ゴルフボールの周囲の空間を10 億セルに分割し、計算は計算こに関わっている。ディンプルがあることで低速でも抗力が小科学振興財団（FOCUS）でオリジナルのソフトウェアを使っさい状 態になるので、ボールはよく飛ぶ。ここまでは同社によて行ったが、十 分な規模の計算が困難なため計算を断念した

る以前の研究で、シミュレーションでの再現には成功していた。
だが「乱流の剥離の現象を正確にシミュレーションでとらえという経緯がある。
そして今ふたたび、北海道大学大学院工学研究院の坪倉誠准教授らと共同で、FrontFlow/Red*を使ったボールのシミュるのはすごく難しい」と角田氏は語る。少しパラメーターを変えるだけでも全く異なった結果になるからだ。
今 は 時々刻々 変 化 する表 面を高 精 度に 解 析できる「A L E

レーションに挑んでいる。ダンロップスポーツから実験データ（Arbitrary Lagrangian-Eulerian）法」を使うことで、よりうを提供し、計算は北海道大学で行っている。
ヘッドスピード4 5m/s前後のトップアマチュアが打ったゴルまく解くことができるようになった。だが、回転させた条件でシミュレーションを通じて、現象の本質を見抜きたいのです

ゼクシオ XD-AERO

ハイスペック・スタッドレス
WINTER MAXX

提供： 住友ゴム

住友ゴム工業株式会社はダンロップ、ファルケン、グッドイヤーのブランドで親しまれているタイヤ事業を中核に、スポーツ用品、ヘルスケア用品などの分野で事業を展開している。http://www.srigroup.co.jp/

3

研究開発本部研究第1部課長
角田昌也氏

提供：住友ゴム工業、ダンロップスポーツ、北海道大学

ドラッグクライシス
ゴルフボールの場合、レイノルズ数が30万程

ゴルフボールの解析モデル
青い領域がボール表面で、周囲が 空気 。

抗力係 数度の領域でこの現象が見られることが多い

格 子 数は1億15 0 0万。ボール直上には境 界層をとらえるための 細かい 格 子が102103

10 4105106

10 7

レイノルズ 数表現されている。の計算はまだまだ難しいという。

却温度、圧力をかけるタイミング、混ぜるための羽根の回転速「 回 転 条 件では 、静止状 態よりも流 れが 複 雑になり、時々度などに、「指針」を作りたいと角田氏は語る。

刻々と状態が変化していくので、計算結果の解釈が難しく、ま「シミュレーションで『 理 屈作り』をやっていくことで、できるだまだ分からないことだらけなんですよ」

だけ性能の良いタイヤを出していきたいですね」

今後はさらに格子密度を上げ、モデルを改善して現象の本質に迫っていく。
角田氏は「シミュレーションで試作回数を減らそうというのは、実験コストよりも計算コストの方が高い状況では、贅沢な使い方」だと語る。空中で飛んでいるボールから流れが剥離する様子を詳細に観察することは難しい。だがシミュレーションならば色々な物理量を観察でき、実験ではできないこともできる。
「ディンプルの設計はまさに試行錯誤や経験です。なかなかロジカルにはできてない。今は実験をたくさんやって統計的に調べていますが、計算機は『どうしてそうなるのか』という本質、理屈を調べるのに、すごく便利な道具なんです」。
そこには特に大学との共同研究に期待しているという。
「企業の技 術者だけで見ていても見えないものが、大学の先生たちとやることによって見えてくる。私はそこに期待しています」
いまの角田氏のもうひとつの業 務はタイヤの製 造プロセスシミュレーションだ。タイヤの製造工程では、ゴムが流動状態

提供：住友ゴム工業、ダンロップスポーツ、北海道大学となっている工 程 が多く、ゴルフボールで 培った 流 体シミュ
レーション技術の横展開を図っている。
同社はタイヤ材料を分 子レベルで 解 析して材料を開発している。だが、良い材料を開発するだけでは実験室レベルだ。それが量産できるかどうかとなると、まだ難しいことが多いのだという。
タイヤの製造は、ゴムのポリマーにカーボンやシリカ、架橋

空気の速度分布上がより高速の場合で、下がより低速の場合。速度を上げると抵抗が小さくなる現
象がうまく表現されている。ボールの後ろのほうになるに従って境界層厚みが薄くなって、空気が剥離する。まだ実験データよりもシミュレーション結果の境界層厚みが厚くなっている。今後、特にボール表面に対して垂直方向の境界層の格子密度をさらに細かくして、解析を進める予定だ。

剤などと加えて練り混ぜる「ミキシング」という工程から始まる。練る回数や材料を入れるタイミングにもノウハウがある。
だが下流の工程でシート状にならないなどトラブルが少なくな★用語解説い。だから、タイヤ材料を混ぜる一番最初の工程、見えない工FrontFlow / Red

程の細部を、流体シミュレーションで「見える化」しようという乱流変動などの非定常現象の高精度予測が可能な Large Eddy

わけだ。
現象の本質を見ることで、今は経験の蓄積で作られている冷Simulation（LES）に基づいた乱流燃焼解析ソフトウェア。京にも対応する高性能なチューニングが実施されている。

4シミュレーションソフトウェア・ライブラリ

複 合 材 料 強 度 信 頼 性 評 価 シミュレータ

FrontCOMP_mold

賦型プロセスシミュレータ
複雑な繊維束構造と樹脂システムをメゾスケールモデル化

FrontCOMP_GUI

複合材料統合化シミュレーションプラットフォーム

製造ナレッジ

各シミュレータとデータベースを統合的に運用するためのグラフィカルユーザーインタフェイス

データベースFrontCOMP_cure

硬化プロセスシミュレータ

材料

樹脂硬化プロセスで発生する初期欠陥の評価

データベースFrontCOMP_damage

損傷発展シミュレータ

損傷モデル

損傷シミュレーションによる強度信頼性評価

データベース

2025年に20 0万台̶̶これは主要な自動車メーカー及びエメゾスケールで正解に導く

ネルギー企業が加盟する政 策提言 組 織『燃料電 池 実 用化 推進協議会』が掲げる燃料電池自動車（FCV）の普及目標。この高圧水素容 器の強度は、金属製のライナーにCFRPを何重目標を実現するため、政 府も支援して2015年には水素燃料をにも巻き付けることで確保される。この巻き方には無数のバリ供 給する水素ステーションが全国10 0カ所に設 置される予定

エーションがあり、容器メーカーは蓄積したノウハウを頼りに、だ。FCVのコンセプトモデル『FCV- R 』を発表したトヨタのよ経験的に設計を行っているのが現状だ。

うに、自動車メーカー各社の開発も本格化している。

「70 0気 圧の容 器なら、その2.5倍くらいの圧力まで破裂しなFCVと水素ステーションの双 方に不可欠なのが、高圧の水いことが条件。その強度を満たす最適な巻き方、最小の巻き数素を蓄える容 器。車両用は70 0気 圧、ステーション用は10 0 0を決める合理的なやり方は、今のところない状態です。設計者

気圧という高い圧力に耐えられるタンクが大量に必要となる。

は、どこから壊れるのか、どうしてそうなるのかを正確に知りた

しかし、今のところ高圧水素 容 器の設 計手法は確立されていいはずです」。

ない。外 殻となる炭素繊 維強化プラスチック（CFRP）の層をある巻き方の強度を設計含む容 器全 体の正確な強度評 価の方法が存在しないことが、段階で評 価する仕組みがあ合理的設計を難しくしている。

れば、最 適な設 計に近づく

この課 題に、シミュレーションソフトウェアの開発という方ことが できる。そのために法で取り組んでいるのが 東京大学生 産技 術研究 所の吉川暢はメゾスケールでの計算が宏教授である。

必要だった。

「ニーズオリエンテッドな研究と言えます。現場の設計者が持Fr o n t C O M Pにおけるメつ 疑 問に答えるためには、従 来のマル チスケールシミュレー

ゾスケールとは、直径 5 〜 6ションでは不十 分なんで す。より細かいスケールに踏み込 んミクロンの炭 素 繊 維を扱うで、近似解ではなく正解を得る必要がありました。そのためにミクロスケールと容 器 全 体開発したのが、メゾスケールを扱う複合材料強 度信 頼性評 価をおおまかに扱うマクロス

シミュレータ FrontCOMP です」。

ケールの間にある領域を指す。炭 素 繊 維を1万 本 以 上

5

東京大学生産技術研究所
吉川暢宏教授ミーゼス応力が最大となる箇所を見つける例
断面図を作成拡大図
アルミニウム製レイヤーをC F R Pヘリカル巻き層とC F R Pフープ巻き層で強 化したT y p eⅢ蓄 圧 器（内圧 1 0 M P a 、直 径 3 0 0 m m ）要 素 数： 7 9 2 7 万
ノード数： 1 3 4 3 万

ライナー
ヘリカル層
フープ層
最大243MPa

束ねたテープとしてモデル化することで、ミクロスケールよりもめ、CFRPを使った高圧容器の解析を開発の主要テーマとして小さい計算量とマクロスケールよりも高い精度を両立させていきたFrontCOMPだが、すでに新たな分野への適用も進められる。ている。そのひとつが 航 空 機 用ジェットエンジンのファンブ「通常のマルチスケール解 析では、メゾスケールの 情 報を近レードに対する強度評価だ。

似的に求めてマクロスケールに渡します。エンジニアリング的「ジェットエンジンの場 合、問題はもっと複 雑で、最終的にはにそういうやり方が有効なこともあるのですが、そこから一歩バードストライクの試 験をクリアする必要があります。CFRP進んで正解をキチンと計算しよう、というのがFrontCOMPの化した最前列のブレードが壊れても、エンジン全 体に致 命 的考え方です」。

な損傷を与えてはいけません。ブレードの製造に使うCFRPは当然、この考え方に従えば計算量は増大する。製品に近いごく薄いシートで、それをいろんな方向に多数 貼り合わせるの規模の解析には、T2K（140TFlops）やFX10（1.1PFlops）クですが、どういう重ね方が一番いいのかを、設計段階の正確なラスのスーパーコンピュータが必 要となり、要素 数 7 9 0 0万のシミュレーションによって知りたいというニーズがあります」。

モデルを対 象にした最 近の 解 析事例では、T 2 K（512コア使樹 脂 の 硬 化 プ ロセスのシミュレーションに 対 応している用）で3.5時間を要した。

Fr o n t C O M Pは、成 形 時 の 意 図しない変 形を予 測するために、洗面台やキッチンの水回りといった身近なプラスチック製より大規模に、より広い分野に品の設 計にも使われ始めている。適 用可能な分 野は、まだほかにもたくさんありそうだ。

要素数1億弱のメゾスケール解析によって、高圧水素容器の設 計 者は有益な情 報を得ることができる。このことはすでに実証済みだ。しかし、現場の要求はもっと厳しいのではないか

CISSライセンス*で公開されているFrontCOMPは、ダウンロードして試用することができる。
ダウンロードページ： http://www.cenav.org/library/と吉川教授は考えている。
「メーカーの設計者から見ると、この規模でもまだ足りないかもしれません。今考えているのは、CFRPのレイヤーを1層ずつではなく、何十層まとめて計算する方法です。10 0 億要素くらいのシミュレーションを、なんとか今後 5 年くらいで 実 現したい。もちろんハードウェアの制約はあります。京でも難しい。もうひと つ上 のスケ ール の ハ ード ウェアが 必 要 で す。そしてFrontCOMPにも、さらなる改良が必要です」
燃 料 電 池自動 車を推 進する産 業 界 のニーズに呼応 するた★用語解説

CISS ライセンス
非営利目的の使用は自由です。営利目的の利用については商用ライセンスの申請が必要です（許諾に3ヶ月程度の時間がかかります）。
問い合わせ先：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 software@ciss.iis.u-tokyo.ac.jp6

今号の表紙
生体幾何情報を元にした熱流体解析
自然物である生体は、人工物である工業製品とは異なり設計図を持ちません。このため、生体の熱流体解析を行う場合には、形状情報を取得し、計算格子を作成するというプロセスが重要になります。この計算では、ザリガニを樹脂などで固めて数十マイクロメートル単位で薄くスライスした断面を画像化し、得られる一連のピクセルイメージから三次元的なボリュームデータを作成しました。ボリュームデータに対して、セグメンテーションや等値面処理などのプロセスを経て、ザリガニの表面形状が得られます。この計 算では、ザリガニに初 期 温 度を与えて自然 対 流をシミュレーションし、茹でて皿の上においたザリガニから立ち上る蒸気のイメージを模擬しています。
（理化学研究所計算科学研究機構小野謙二）

編集後記
創刊号はいかがでしたか？ 3件の取材を通じて最も印象に残ったのは「現象の理解」という言葉です。この言葉からは人間の能力に対する信頼が伝わってきます。コンピュータが現象を再現して細部を見せてくれれば、我々はそれを理解し、より良いものづくりに生かすことができるというオプティミズムを心強く思いました。
本誌のタイトルにある計算工学という4字から、無機的で人間味の薄い世界を思い浮かべた方もいるかもしれませんが、それは違います。根底にあるのは人間性に対する信頼と楽観。このふたつは創造に不可欠の要素ですね。信頼と楽観に根ざした創造の世界をナビゲートする計算工学ナビをよろしくお願いします。
（F）

計算工学ナビ オフィシャルサイト
本 誌のダウンロードや、ソフトウェアライブラリ、その他の読み物を提 供しているオフィシャルW e bサイト

http://www.cenav.org/

計算工学ナビ Vol.1
発行日： 2013 年10月31日
発 行： 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〒153-8505 東京都目黒区駒場4-6-1
oﬃce@ciss.iis.u-tokyo.ac.jp