2012/5/11 12.05.11 （財）日本自動車研究所 小林敏雄 [email protected] Contents • ものづくりへの HPC 適用の 適用の試み • 自動車交通事故と 自動車交通事故とHPC • 自動車空力問題と 自動車空力問題と HPC • 流体シミュレーション 流体シミュレーションまとめ シミュレーションまとめ 2 1 2012/5/11 Human ものづくりへ ものづくりへの HPC 適用の 適用の試み Load Vehicle JAPAN AUTOMOBILE RESEARCH INSTITUTE 3 • “K” コンピュータおよび HPC インフラの効果的利活用 • 戦略的５分野の構成: 予測する 予測する生命科学 する生命科学・ 生命科学・医療 および創薬基盤 および創薬基盤 新物質・ 新物質・エネルギー創成 エネルギー創成 防災・ 防災・減災に 減災に資する 地球変動予測 東京大学物性研究所 海洋研究開発機構 理化学研究所 次世代ものづくり 次世代ものづくり 物質と 物質と宇宙の 宇宙の起源と 起源と構造 東京大学生産技術研究所 筑波大学計算科学センター 筑波大学計算科学センター • アプリケーションソフトウエア アプリケーションソフトウエアの の整備 • 産業応用 産業応用 2 2012/5/11 ものづくりへのシミュレーション応用 研 究 ライフサイエンス 開 発 分 野 ナノテクノロジー ものづくり 都市安全 ■ HPCI戦略プログラム（2009～2015） “分野４：次世代ものづくり” ● 概要 革新的ハイパフォーマンスコンピューティングインフラを駆使することにより、“次世代ものづくり“分野の飛躍的発展に寄与する。 ■ イノベーション基盤シミュレーションソフトウェアの研究開発プロジェクト（2008～2012） ● 概要 バイオ、ナノを含む広義のものづくり分野を対象とし、我が国の産業イノベーション に資する世界最先端・実用的ソフトウェアの研究開発・普及促進・人材育成。 ● 参加機関 東京大学生産技術研究所、同大学院工学研究科、同人工物工学研究センター、（独）物質材料研究機構、 国立医薬品食品衛生研究所、立教大学、（財）高度情報科学技術研究機構、アドバンスソフト（株）、他 ■ 革新的シミュレーションソフトウェアの研究開発プロジェクト （2005～2007） ● 概要 ２１世紀の科学技術の飛躍的進展のカギとなる、世界を リードする実用的ソフトウェアの研究開発・普及・人材育成 ● 参加機関 東京大学生産技術研究所、同大学院工学研究科、同人工物工学研究セン ター、（独）物質材料研究機構、国立医薬品食品衛生研究所、北海道大学、 東北大学、慶応義塾大学、九州大学、電気通信大学、立教大学、（財）高度 情報科学技術研究機構、アドバンスソフト（株）、他 Fron tFlo w/B lue の性能向上（ 陰解法） 1800 高速最適 化版 オリジナル 1200 600 オリジナル 0 秒 高速最適 化版 オリジナル スカラー 高速最適 化版 ベク トル スカラー 704 ベクト ル 326.2 1786 663.3 ■ 戦略的基盤ソフトウェアの開発（2002～2005） ● 概要 世界最高水準の実用的な計算科学シミュレーション・ソフトウエアの開発・普及 ● 参加機関 東京大学生産技術研究所、同大学院工学研究科、同人工物工学研究センター、（独）物質材料研 究機構、国立医薬品食品衛生研究所、慶応義塾大学、 九州大学、電気通信大学、立教大学、 （財）高度情報科学技術研究機構、アドバンスソフト（株）、他 平成24年5月21日 ◎社会基盤・ 基盤・民生機器の 民生機器の高効率化， 高効率化，小型化， 小型化， 静音化を 静音化を実現する 実現する技術創出 する技術創出 ・輸送機器， 輸送機器，流体機器の 流体機器の流体制御による 流体制御による高効率化 による高効率化， 高効率化， 低騒音化の ，九大， 低騒音化の実現（ 実現（JAXA， 九大，東芝他） 東芝他） ・半導体集積素子 半導体集積素子における 集積素子におけるカーボン におけるカーボン系 カーボン系ナノ構造 ナノ構造プロセス 構造プロセス シミュレーション（ シミュレーション（物材研 物材研，企業ｺﾝｿーシアム 企業ｺﾝｿーシアム） ｺﾝｿーシアム） 5 研究内容 ◎未来社会 未来社会へ 社会へ向けた価値 けた価値の 価値の創造， 創造，製品化 プロセスを プロセスを加速する 加速する設計 する設計システム 設計システム ・ 乱流に 乱流に係る次世代流体設計システム 世代流体設計システムの システムの実現 （東大， 東大，北大， 北大，京大， 京大，企業コンソーシアム 企業コンソーシアム） コンソーシアム） ・多目的設計探査 多目的設計探査による 設計探査による設計手法 による設計手法の 設計手法の革新 （JAXA， ，東北大， 東北大，企業コンソーシアム 企業コンソーシアム） コンソーシアム） ◎大規模プラント 大規模プラントの プラントの信頼性を 信頼性を向上させる 向上させる 安全性， 安全性，健全性評価システム 健全性評価システム ・原子力施設等 原子力施設等の 施設等の大型プラント 大型プラントの プラントの次世代耐震 次世代耐震 シミュレーション（ ，東大， ，他） シミュレーション（JAEA， 東大，JAXA， 東京大学生産技術研究所 東京大学生産技術研究所， 研究所，日本原子力研究開発 日本原子力研究開発機構 原子力研究開発機構， 機構，宇宙航空研究開発機構 宇宙航空研究開発機構 6 3 2012/5/11 実走行状態における非定常空力・車両運動連成解析 担当者名：坪倉，中島 2012年2月8日報告 2011実施内容 車両運動と 車両運動と周囲気流との 周囲気流との連成 との連成解析 連成解析 （1）軽自動車を対象とした、定常空気力の高精度予測。 空力抵抗値に対して、現状の設計開発段階で要求される予測精度の実現に向けた解析を実施。 ，エンジンルームや床下形状を含む 地面近傍や車体表面の格子の最適化によって、5000万要素程度の解像度で風洞実験に対して2%程度の誤差でCD値予測が可能。 たとえば、車体前方床下に取り付けた空力パーツ（エアダム）による抵抗低減効果の再現も可能。 エアダム無 エアダム有 風洞実験 風洞実験 本解析 本解析 エアダム無の風洞実験結果で 規格化したCD値 SAE 2011-01-0147 SAE 2011-01-0147 （2）セダン型車両を対象とした、強制ピッチ加振時の非定常空力解析。 車両高速走行時の安定性評価の一環として、実車モデルを対象に強制 ピッチ加振した際の空力ダンピング評価。車体トランクデッキ上の三次元 渦構造を解析することで、空力ダンピングの物理メカニズムの解明が可能。が明らかになりつつある。ALE法を使った解析は、現状、 （3）トラックの車両六自由度運動-LES連成解析。 トラック車体を対象に物理時間で20秒程度の運動連成解析を実施。 トラックが横風にあおられた際の軌道解析を実施。操縦安定性評価 で重要な操舵角や車体ヨー角速度に着目し、既存の準定常解析との 比較を行い、連成解析の重要性を指摘（右図）。 車室内騒音の予測 担当者名：飯田 2012年2月8日報告 2011実施内容 ■目標：従来予測が不可能であった、低周波領域（200Hz以下）における車室内騒音の予測を実現する。 ■簡易車体形状モックアップを作成し、流れ計測、振動計測、音場計測を実施し、解析の精度検証を実施。 ■流体・構造・音響連成解析により車体まわり流れ、構造振動、車室内騒音を予測する。 構造振動 車室内騒音 ・流体力 ・車体表面の 車体表面の振動測定 ・音源探査測定 ・車室内騒音測定 ・車外騒音測定 ・車体表面の 車体表面のCp, Cp’, 圧力変動 ・PIVによる による流 による流れ場計測 0.06 74.5Hz Roof Panel 0.05 0.04 76 95Hz 0.03 108km/h 74 フロント フロント下部 下部 フロント フロント 下部 下部 106Hz 149Hz 47.5Hz 35.5Hz 0.01 サイドガラス サイドガラス（ リア） サイドガラス サイドガラス （（ （リア リア リア ）） ） 再付着点付近 再付着点付近 再付着点付近 再付着点付近 車両後端部 車両後端部 車両後端部 車両後端部 72 0.02 SPL [d B] Acceleration [m/s2] 計 測 車体まわり 車体まわり流 まわり流れ サイドガラス サイドガラス サイドガラス サイドガラス （ フロント） （（ （フロント フロント フロント ）） ） 70 68 66 64 62 0 解 析 車体表面の 車体表面の圧力分布の 圧力分布の比較 ・5千万規模 千万規模の 千万規模の車体まわり 車体まわり流 まわり流れ解析 ・車体表面の 車体表面の非定常圧力データ 非定常圧力データを データを計算 ルーフパネル振動加速度 振動加速度 ルーフパネル 【ソフトウエア： 】 ソフトウエア：ADVC】 音源探査 【ソフトウエア： ：FFB-A】 】 ソフトウエア ・固有値解析 ・流体・ 流体・構造連成解析 ・構造・ 構造・音響連成解析 （200Hz以下 以下の 以下の低周波音） 低周波音） M ic15 M ic13 M ic14 M ic11 M ic12 M ic09 M ic10 M ic07 M ic08 M ic06 M ic04 M ic05 200 M ic02 150 M ic03 100 Frequency [Hz] M ic01 50 Center Mic 60 0 簡易車体モデル モデル：FFB】 簡易車体 【ソフトウエア： 】 ソフトウエア 車室内騒音 ==== 解析準備中 ====== 車体表面の 車体表面の 圧力データ 圧力データ 車室表面の 車室表面の 振動データ 振動データ 圧力瞬時場 ・200Hz以上 以上の 以上の高周波音に 高周波音に関しては透過 しては透過 音解析で 音解析で予測手法を 予測手法を検討する 検討する。 する。 流体解析メッシュ 流体解析メッシュ 圧力変動場 車体表面変位 今後の 今後の方向 ・精度検証⇒ 計測による 次までのモード 精度検証⇒流体解析： 流体解析：PIV計測 計測による詳細流 による詳細流れ 詳細流れ場との比較 との比較。 比較。振動解析： 振動解析：200次 までのモード解析結果 モード解析結果と 解析結果と実験値の 実験値の比較 ・音響解析⇒ 以下）： を用いた音響解析 以上）： 音響解析⇒低周波音（ 低周波音（200Hz以下 以下）：FFBAを ）： いた音響解析、 音響解析、高周波音（ 高周波音（200Hz以上 以上）：透過音解析 ）：透過音解析による 透過音解析による予測 による予測 ・その他技術検討 その他技術検討⇒ 他技術検討⇒時間領域の 時間領域の伝搬音解析の 伝搬音解析の検討 4 2012/5/11 戦略革新プロジェクト 戦略革新プロジェクトで プロジェクトで開発した 開発した流体 した流体コード 流体コード(2002 コード(2002(2002-) FrontFlow/Blue FrontFlow/Red 解析手法： 解析手法： FEM（ （六面体、 六面体、四面体） 四面体） LES(SSM,DSM) 非圧縮流体 高精度非定常流れ 高精度非定常流れ解析 主な解析対象： 解析対象： ターボ機械内部流 ターボ機械内部流れ 機械内部流れ 空力騒音， 空力騒音，他 解析手法： 解析手法： FVM（ （4種類多面体格子 種類多面体格子） 種類多面体格子） LESと とRANS 圧縮・ 圧縮・非圧縮流体 燃焼・ 燃焼・反応の 反応の物理モデル 物理モデル 主な解析対象： 解析対象： 自動車空力 燃焼器， 燃焼器，反応装置 自動車エンジン 自動車エンジン， エンジン，他 9 High Performance Computing 究極の設計環境 高精度非定常 3次元乱流解析 Front Flow/Red ﾊｲｴﾝﾄﾞ計算機 （地球ｼﾐｭﾚｰﾀ， K-コンピュータ） 大規模（数千万～億要素）空力解析の実現 設計開発現場における空力予測技術のﾌﾞﾚｰｸｽﾙｰの提案 • • 億要素規模、非定常乱流解析の重要性 新たな空力予測の必要性（非定常空力特性） HPC技術の産業界への移転 利用環境の整備（ハードウエア，ソフトウエア，計算ノウハウ） 5 2012/5/11 LES / FFR Kármán vortex street rectangular cylinder Flow around a Rectangular Cylinder LES/FFRの のコード完成 コード完成は 完成は1995~1996 LES subgrid model 数値スキーム 数値スキーム 境界条件 格子解像度 非定常性 Vortex sheddingと とNatural frequency High Re Number by T. Kogaki 1996 11 LES / FFR 検証の 検証の例(1996) Time averaged streamwise component <u>t at various streamwise positions Phase averaged Reynolds shear stress, <u’v’> Phase averaged Reynolds shear stress, <u’v’> Time averaged turbulent stress <u’u’>t at various streamwise positions 12 6 2012/5/11 スキームによる スキームによる解析結果 による解析結果の 解析結果の違い 立方体障害物周りの 立方体障害物周りの乱流場 りの乱流場(1994) 乱流場 主流方向速度分布 対流項： 次中心差分 対流項：2次中心差分 平均速度場 対流項： スキーム 対流項：QUICKスキーム 瞬時速度場 平均速度場 数値振動は 数値振動は抑制されるが 抑制されるが， されるが， 過大な 過大な拡散により 拡散により流 により流れ場が変化 Cs=0.1， ，一般座標系 瞬時速度場 LESの課題：剥離現象の再現 球におけるドラッグクライシスの再現 極の位置での境界層厚さ δB（Schlichting, 1956）と 現象再現に求められる格子解像度（経験値） 半径方向: 壁面際近傍点をδB の1/20 円周方向: δBと同程度 subcritical 1.6*105 2.0*105 2.4*105 critica l 亜臨界領域（ドラッグ低下前）と 超臨界領域（ドラッグ低下後）の間の 遷移領域を良好に再現． Drag coefficient vs. Reynolds number M.Muto et al., “Negative Magnus lift on a rotating sphere at around the critical Reynolds number ,” Phys. Fluids 24, 2012 7 2012/5/11 Human 自動車交通事故と 自動車交通事故と HPC Load Vehicle JAPAN AUTOMOBILE RESEARCH INSTITUTE 15 （財）日本自動車研究所 JARI つくば： つくば：衝突実験場 1. 設 立： 1969年 2. 場 所： 茨城県つくば市&城里町（研究所） 東京都港区自動車会館 Hy-SEF 燃料電池自動車安全性評価試験棟 城里： 城里：テストセンター 16 8 2012/5/11 衝突試験場 燃料電池防爆火 災試験 ドーム 化学分析 排ガスの ガスの健康影響評価 排ガス･ ガス･燃費試験 17 二輪車～大型貨物車 医学 ・救急救命 ・治療処置など ⼯学 ・EDR ・安全装置作動など 医⼯連携DBシステムの活⽤ 基盤研究のニーズ 事故再現 インパクトバイオとの連携 ・志願者実験 ・供試体実験 ・動物実験 など ⼈体傷害メカニズム解明 シミュレーション技術との連携 ・⼈体FEモデル ・⾞両モデル ・安全装置 など 交通事故死傷者数のより効果的な低減に関する⽅策検討 と 施策への反映 9 2012/5/11 検証 IRCOBI 2006,2007 2005年度 人体FE 人体FEモデル FEモデル ・JAMA人体FEモデル シート モデル 事故データ 事故データ シート特性 シート特性 ・衝突速度 ・傷害内容 2006年度 頚部，肩部の筋肉痛，肩こり（２日以内） 事故再現 シミュレーション 文献によ 文献によ る頚部傷 害発生状 況の検討 クラッシュ パルス 頚椎挙動の 頚椎挙動の分析 事故分析 0 km/h 頚部傷害 →椎体間の過度な変形が原因 ・頚椎ひずみ 頚椎ひずみ →椎体間 椎体間のひずみ 椎体間のひずみ （椎間板， 椎間板，椎間関節） 椎間関節） ・回転角 ・変位 傷害レベル ） 傷害レベル（ レベル（WAD） 注目すべき パラメータ ひずみとリスクカーブ ひずみとリスクカーブを リスクカーブを用い た傷害レベル 傷害レベルの レベルの導出 頚椎ひずみと 頚椎ひずみと閾値 ひずみと閾値 頚椎挙動と 頚椎挙動と相関のある 相関のある パラメータの パラメータの抽出 および閾値 および閾値の 閾値の決定 50 km/h 以下 頚椎ひずみに 頚椎ひずみに基 ひずみに基づいた 傷害指標 ・加速度 ・変位 ・頚部力 ・他の傷害指標 ダミーへの ダミーへの対応 への対応 ダミーと ダミーと志願者の 志願者の挙動比較 19 外観挙動 人体有限要素モデル 人体有限要素モデルを モデルを用いたむち打 いたむち打ち傷害に 傷害に関する基礎的検討 する基礎的検討 50ms 100m s 67ms 150ms 111ms 200ms 156ms 頚部挙動 S字状変形 字状変形＝ 字状変形＝頭・頚部の 頚部のズレが ズレが発生 10 2012/5/11 Human 自動車空力問題と 自動車空力問題と HPC Load Vehicle JAPAN AUTOMOBILE RESEARCH INSTITUTE 21 自動車空気力学に 自動車空気力学における シミュレーション導入 シミュレーション導入1 導入 車体表面圧力の 車体表面圧力の予測値と 予測値と実験値の 実験値の比較 ◎CFD夜明け前（1970~1975年 年） ・非圧縮 非圧縮非粘性渦 非圧縮非粘性渦なし 非粘性渦なし流 なし流れ（ポテンシャル流 ポテンシャル流れ） ・車体表面を 車体表面をパネル分割 パネル分割 ・車体後流形状を 車体後流形状を可視化により 可視化により求 により求め， これを これを車体隣接仮想物体として 車体隣接仮想物体として取 として取り扱う ・流れの剥離 れの剥離が 剥離が小さい車両前方上面 さい車両前方上面 では 比較的良 比較的良い結果， 結果， ・車体下部や 車体下部や後流評価は 後流評価は無理， 無理，空力抵抗予測も 空力抵抗予測も無理． 無理． Buchheim et al., 1984 表面圧力の 表面圧力の分布 CFD黎明期（1975年～1985年） ・CFDベンチマークテスト ベンチマークテスト（ 会議・・・ ベンチマークテスト（Stanford会議 会議・・・） ・・・） 解析の ・自動車空力の 自動車空力のCFD解析 解析の活発化， 活発化，導入模索 1982年 年「車両設計におよぼす 車両設計におよぼす空気力学 におよぼす空気力学の 空気力学の影響」（ 影響」（ロンドン 」（ロンドン） ロンドン） 1982年 年「車両空気力学」（ 車両空気力学」（フォルクスワーゲン 」（フォルクスワーゲン） フォルクスワーゲン） ・定常乱流解析（ モデル） 定常乱流解析（k-eモデル モデル） （要素数： 要素数：数千～ 数千～数万点） 数万点） ・二次元計算の 二次元計算の時代 Demuren & Rodi, 1985 11 2012/5/11 自動車空気力学における 自動車空気力学におけるシミュレーション におけるシミュレーション導入 シミュレーション導入2 導入 ◎CFD展開期 展開期（ 年～1995年 年） 展開期（1985年 ・定常乱流解析 モデル） 定常乱流解析（ 乱流解析（k-eモデル モデル） （要素数： 要素数：数十万点～ 数十万点～数百万点） 数百万点） ・境界適合座標による 境界適合座標による格子 による格子作成 格子作成． 作成． ベクトル機 ベクトル機（構造格子が 構造格子が得意！） 得意！）による ！）による一般座標系解法 による一般座標系解法が 一般座標系解法が大きく進 きく進む時代 ・車体表面圧力分布を 車体表面圧力分布を含む流れ場の定性的把握が 定性的把握が可能に 可能に ・エンジンルームや エンジンルームや詳細床下形状の 詳細床下形状の再現はまだまだ 再現はまだまだ困難 はまだまだ困難 ・数値スキーム 数値スキームの スキームの検討 / 数値粘性効果 数値粘性効果による 粘性効果による解 による解の悪化（ 悪化（乱流性情の 乱流性情の把握は 把握は困難） 困難） K-ε モデル Yamada & Ito, 1993 upwind scheme Himeno et al., 1990 自動車空気力学における 自動車空気力学におけるシミュレーション におけるシミュレーション導入 シミュレーション導入3 導入 ◎自動車空力シミュレーション 自動車空力シミュレーション成熟期 シミュレーション成熟期(1995~2005) 成熟期 ・市販ソフトウエア 市販ソフトウエアの ソフトウエアの進歩， 進歩，非構造格子による 非構造格子による複雑形状 による複雑形状（ 複雑形状（エンジンルーム， エンジンルーム，床下検討） 床下検討） ・実工程への 工程への導入 への導入、 導入、風洞実験の 風洞実験の代替検討 ・乱流モデル 乱流モデルの モデルの比較検討の 比較検討の成熟化 RANS LES/FFR 12 2012/5/11 自動車空気力学における 自動車空気力学におけるシミュレーション におけるシミュレーション導入 シミュレーション導入４ 導入４ ◎大規模スーパーコンピュータ ～）の とCAE 大規模スーパーコンピュータ時代 スーパーコンピュータ時代(2005～） 時代 ～）のHPCと [地球 地球シミュレータ 地球シミュレータによる シミュレータによる大規模 による大規模解析 大規模解析] 解析 ・形状精密表現 形状精密表現の 精密表現の効果， 効果，非定常空気力学に 非定常空気力学に有力 ・1億 億2千万要素規模非定常乱流 千万要素規模非定常乱流解析 千万要素規模非定常乱流解析 ・解析時間 解析時間120時間 時間 時間 [産業 産業における 産業におけるシミュレーション におけるシミュレーション] シミュレーション ・設計段階での 定常解析 設計段階での現状 での現状は 現状は，数百万～ 数百万～一千万要素レベル 一千万要素レベルの レベルのRANS定常解析 （プリ・ プリ・ポスト処理 ポスト処理を 処理を含めても数日以内 めても数日以内） 数日以内） ・乱流モデル 乱流モデル， モデル，格子， 格子，数値スキーム 数値スキームに スキームに依然， 依然，依存 ・各因子に 以下にすることは 各因子に対する最適化 する最適化で 最適化で定常空力予測における 定常空力予測における誤差 における誤差は 誤差は 数～10%以下 以下にすることは可能 にすることは可能 （ただしかなりアドホック ただしかなりアドホック） アドホック） ・定常空力 定常空力では 空力では活用 では活用が 活用が進んでおり， んでおり，部分的に 部分的に風洞実験を 風洞実験を代替（ 代替（凌駕できているといえるか 凌駕できているといえるか） できているといえるか） ◎“京”，大規模スーパーコンピュータ 大規模スーパーコンピュータの スーパーコンピュータの活用 ・HPC-LES の自動車空力への 自動車空力への適用確認 への適用確認 ・近未来における の可能性と 近未来におけるCFDの における 可能性と限界 ・風洞実験では の主流となる 風洞実験では計測 では計測が 計測が難しい非定常空力予測 しい非定常空力予測が 非定常空力予測が，今後の 今後のCFDの 主流となる ・費用対効果と 用対効果と実験を 実験を超える情 える情報 ・実験解析と 実験解析と数値解析の 数値解析の協力関係は 関係は不可欠（数値解析結果の 数値解析結果の解釈，評価） 評価） CFDと実験の協働：風洞技術の緻密化 風洞計測部における静圧勾配 (E.Duell et al., 2009) BMW新風洞 新風洞 E. Duell et al., “7. Improving Open Jet Wind Tunnel Axial Pressure Gradients,” Proceedings of the 7th FKFS-Conference, pp.84-109, 2009. 13 2012/5/11 次世代（ ～） 次世代（2010～） ～自動車空気力学における の方向～ 自動車空気力学におけるHPCの における 方向～ 2012 10ﾍ ﾍﾟﾀ級ｽﾊﾟ ｽﾊﾟｺﾝの ｺﾝの出現 （ESの の250倍 倍） ～LESによる による車両空力 による車両空力の 車両空力の現状～ 現状～ ・風洞実験を 風洞実験を対象 ・実時間1秒 ） 実時間 秒に十時間以上（ 十時間以上（ES） ～車両空力の 車両空力の新展開～ 新展開～ ・急激な 急激な姿勢変化に 姿勢変化に伴う非定常空力解析 ・気流・ 気流・姿勢変化の 姿勢変化の連成解析 ・単体⇒ 単体⇒多体問題への 多体問題への拡張 への拡張 ～LESによる によるｴﾝｼ によるｴﾝｼﾞ ｴﾝｼﾞﾝ解析の 解析の現状～ 現状～ ・実機形状解析は 実機形状解析は実現 ・RANS解析 解析がまだまだ 解析がまだまだ主流 がまだまだ主流 （ｻｲｸﾙ平均 ｻｲｸﾙ平均） 平均） ・燃焼ﾓﾃ 燃焼ﾓﾃﾞ ﾓﾃﾞﾙの課題多し 課題多し ～ｴﾝｼﾞ ｴﾝｼﾞﾝ解析の 解析の新展開～ 新展開～ ・LES解析 解析による 解析による空気流動予測 による空気流動予測が 空気流動予測が実 用化 ・SGS乱流 乱流ﾓﾃ 乱流ﾓﾃﾞ ﾓﾃﾞﾙと燃焼・ 燃焼・噴霧ﾓﾃ 噴霧ﾓﾃﾞ ﾓﾃﾞﾙの 高精度ｶｯﾌ 高精度ｶｯﾌﾟ ｶｯﾌﾟﾘﾝｸﾞ ﾘﾝｸﾞとNOx等 NOx等の高精度 予測の 予測の実現 ～車両空力の 年後～ 車両空力の10年後 年後～ ・実車ﾚｲﾉﾙｽ 実車ﾚｲﾉﾙｽﾞ ﾚｲﾉﾙｽﾞ数解析 ・実時間1秒 実時間 秒に数十秒 ﾘｱﾙﾀｲﾑ空力 空力ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝの ﾘｱﾙﾀｲﾑ 空力 ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ の実現 ～ｴﾝｼﾞ 年後～ ｴﾝｼﾞﾝ解析の 解析の10年後 年後～ ・流体・ 流体・熱・構造の 構造の連成解析の 連成解析の実現 ・実験計測誤差＞ 実験計測誤差＞数値解析誤差 実験を 実験を行わない完全 わない完全ﾃ 完全ﾃﾞｼﾞﾀﾙｴﾝｼﾞ ﾀﾙｴﾝｼﾞﾆｱﾘﾝｸﾞ ﾆｱﾘﾝｸﾞ の実現 ～完全ﾃ 完全ﾃﾞｼﾞﾀﾙｴﾝｼﾞ ﾀﾙｴﾝｼﾞﾆｱﾘﾝｸﾞ ﾆｱﾘﾝｸﾞ実現に 実現に向けての課題 けての課題～ 課題～ ・格子作成技術（ﾌﾟﾚ処理）の開発 （現状は格子作成にCFD解析と同程度かそれ以上の時間） “Ki” ・複合連成問題（ﾏﾙﾁﾌｨｼﾞｯｸｽ）に適した物理ﾓﾃﾞﾙや解析ｱﾙｺﾞﾘ ｽﾞﾑの開発 （流体・熱・構造等を統一的に扱える手法） ES NWT 横風突風（ ） 横風突風（gusty crosswind） 下の車両空力 検証事例 横風安定性と 横風安定性と床下形状の 床下形状の影響 Flat Rugged Yaw moment 800 moment [Nm] ・最適設計を可能とする解析結果診断手法（ﾎﾟｽﾄ処理）の開発 （要求されるｽﾍﾟｯｸを実現するための形状等の最適化手法） 600 400 200 0 -200 Flat TOTAL Rugged TOTAL Flat UPPER Rugged UPPER 1.4 1.6 1.8 time28[s] 2 2.2 28 14 2012/5/11 横風特性の新たな課題 （JARIにおける における自動隊列運転研究 における自動隊列運転研究） 自動隊列運転研究） 白線認識ベース 白線認識ベースの ベースの車線保持制御 道路地図ベース 道路地図ベースの ベースの速度制御 車車間通信利用車間距離制御 車車間通信利用車間距離制御 車載障害物センサベース 車載障害物センサベースの センサベースの障害物回避制御（ 障害物回避制御（ﾚｰﾝﾁｪﾝｼﾞ ﾚｰﾝﾁｪﾝｼﾞOR自動 OR自動ﾌ 自動ﾌﾞﾚｰｷ） ﾚｰｷ） 車車間通信 障害物センサ 障害物センサ GPS+Gyro sensor 車間距離センサ 車間距離センサ 白線認識センサ 白線認識センサ 白線認識 : 画像認識＋ 画像認識＋ﾚーザレーダによる ﾚーザレーダによる白線認識 による白線認識 車車間通信:5.8GHz 車車間通信:5.8GHz 無線＋ 無線＋光を使用した 使用した車車間通信 した車車間通信 車間距離センサ 車間距離センサ: センサ:レーザレーダ+ レーザレーダ+ﾐﾘ波 ﾐﾘ波レーダ＋ レーダ＋車車間通信による 車車間通信による車間距離検出 による車間距離検出 次世代空力解析の 次世代空力解析の一例 運転条件 • 運転者の意思は直進 （90km/h） • 横風突風 (V = 25.125 m/s=90km/h) • ヴァーチャルドライバー v/V0 大型トラック 大型トラックの トラックの横風遭遇時の 横風遭遇時の走行軌跡解析 Crosswind velocity 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 -0.2 : vehicle length scale 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 Time t [s] 横風の風速分布 30 15 2012/5/11 車両運動と流体運動のカップリング 車体周り 左) 車体周り速度分布 (左 横方向変位 (右上 右上) 右下) 右上 と車体ヨー 車体ヨー角変化 ヨー角変化 (右下 右下 31 空力評価 Case1. Fully coupled analysis with unsteady CFD • 横力（ 横力（空力） 空力） Fw および ヨーイングモーメントMwが が ヨーイングモーメント 連続的に 連続的に得られる． られる． Vehicle motion simulation Fluid motion simulation Case2. Conventional approach based on quasi-steady database Fw = 1 C S (β w )ρSVr2 2 Mw = 1 C ym (β w )ρ SL wheel Vr2 2 Vehicle motion simulation Aerodynamic forces map Aerodynamic yaw angle β w [deg.] Yaw moment coef. Cym [-] 定常空気力学からの 定常空気力学からのデータベース からのデータベース Side force coef. CS [-] 32 Fluid motion simulation 32 16 2012/5/11 非定常解析と準定常解析の比較 既存の 既存の解析（ 解析（準定常解析） 準定常解析）との比較 との比較 横風プロファイル v/V0 v/V0 横風プロファイル 非定常シミュ レーション Yaw angle β [deg.] Displacement Y [m] 既存の簡易手法 既存の簡易手法 非定常シミュ レーション Time t [sec] Time t [sec] 既存の解析手法と大きな差！連成解析による新たな評価手法が必要． 33 Human 流体シミュレーション 流体シミュレーションまとめ シミュレーションまとめ Load Vehicle JAPAN AUTOMOBILE RESEARCH INSTITUTE 34 17 2012/5/11 流体シミュレーション 流体シミュレーションの シミュレーションの役割と 役割と期待（ 期待（まとめ） まとめ） 工学分野における 工学分野におけるブレークスルー におけるブレークスルー / 新しい分野開発 しい分野開発 要素から全体へ 精度から効果へ 先んずれば 基盤工学 基盤工学（ 工学（流体解析， 流体解析，構造解析） 構造解析）におけるＨＰＣ におけるＨＰＣと ＨＰＣとＣＡＥ 要素解析の高精度化から全体解析の総合化（マルチ化と境界域処理） ＨＰＣ：マインドとしてアナリシスからシンセシスの方向性 ＣＡＥ：研究者・技術者の元気 シミュレーション文化の向上 ものづくり現場 ものづくり現場での 現場での重要 での重要な 重要なツール（ ツール（形状精度向上と 形状精度向上と開発期間短縮） 開発期間短縮） 対象領域，対象課題の急増 ソフトウエア群の充実・発展・競争/品質保証（検証のレベル考慮） 一方で高額化/ Free Foam ＪＡＲＩ （財）日本自動車研究所 JARI-HPのアドレス http://www.jari.or.jp/ ご清聴有難うございました 36 18
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