時間との戦い

時間との戦い

トヨタ自動車のモータースポーツ・ユニット開発部 (MSUDD) は、長年にわたりSTAR-CDソフトウェアとSimcenter STAR-CCM+™ソフトウェアを使用して、さまざまなモータースポーツのトップ・カテゴリーのレース車両を開発してきました。富士山麓にある東富士テクニカルセンターでレースカーの研究開発 (R&D) を日々行っています。

MSUDDの役割の一つは、ル・マン24時間レースを含むFIA世界耐久選手権 (WEC) 向けの車両を開発することです。また、スーパーフォーミュラやスーパーGTシリーズなど、国内 (日本) のレースシリーズ向けのエンジンや車両の研究開発も行っています。MSUDDのマネージャー、Yuichiro Kato氏とTeppei Hojo氏は、「トヨタのレースカーの設計を成功させるには、コンピューター支援エンジニアリング (CAE) と数値流体力学 (CFD) が不可欠」だと考えています。

3つの重要な原則に導かれるチーム

MSUDDは、高速かつ視覚的に美しい車両を設計・開発するアプローチの指針となる3つの原則を掲げています。CAE/CFDがこの3つの原則を完全にサポートしています。1: レースへの参加を通じて自動車先進技術の開発を加速します。2: 未知の困難な技術に挑戦する熱意を示すことで、新しいレースファンを取り込みます。3: 自動車を運転する楽しさや自動車がもたらす夢を体感できるイベントなどを開催して、「クルマ好き」の裾野を広げます。

Kato氏の率いるエンジン・グループは、エンジンやハイブリッド・コンポーネントの性能・信頼性を担い、パワートレインの設計や新たな解析技術の開発にCAE/CFDを活用しています。Hojo氏の空気力学グループは主に、自動車の空気力学開発を担当し、そのプロセスでCFDを使用しています。MSUDD内のCAE/CFDチームは、約15人で構成されるグループです。 こうした少人数のグループが利用可能な時間やリソースは限られているため、厳しいレースの世界で競うには、チームが解析作業に優先順位を付けて、後処理スケジュール (設計、試験、風洞) を調整し、解析結果の一貫性と再現性を確保できる技術の標準化が必要です。

車両開発はターンアラウンド・タイムとの戦い

レースカーの世界では、次年に向けた開発、次のレースへの準備、そして頻繁に変わる規制への対応が極めて重要です。ここでCFDが大きな役割を果たし、チームがTAT (ターンアラウンド・タイム) を大幅に短縮できるようにします。

「レースカーは、数年かけて成熟する量産車とは違います。」とKato氏は言います。「最近設計されたレースカーの外形は、前年のレースカーと同じに見えても、内部コンポーネントはまったく異なっている可能性があります。チームは基本的に毎年、まったく新しい車両を開発しています。こうした短いターンアラウンドでは、車両の製造を始める前に、外部の空気力学形状やエンジンなどの要素の信頼性と性能を確実にしておく必要があります。従来は試作品の製作と試験を繰り返すというアプローチでしたが、今では部品を1つも作らないうちに徹底した解析・評価を実行できるようになりました。」

ル・マン向け車両の空気力学設計は、ドイツに拠点を置くトヨタモータースポーツGmbH (TMG) と共同で開発されています。トヨタがFormula 1レースに参戦している間、開発活動の中心は風洞試験であり、CFDは補完的な役割を果たしていました。しかし現在、CFDは概念試験に不可欠なものとなっており、フローの可視化や車両設計概念の意思決定で、大きな役割を果たしています。CFDは、開発ターンアラウンド・タイムの短縮だけでなく、近年では現実の部品開発プロセスにおいても重要な役割を担っています。

「レースの合間に実車を風洞に入れて調整する時間はなく、トラックテストの機会も限られているため、設計要素をCFDから実車へと素早く移行させるプロセスが生まれており、CFD結果の重要性が高まっています。」とHojo氏は説明しています。「初期試験に基づいて意思決定を下す必要性が高まっています。つまり、最初の試験で得られた車両性能が、シーズン中の車両の競争力を左右しているのです。」

今日、特に重要になっているのは、製造を開始する前の設計・開発段階に、エンジニアが車両とコンポーネントの性能を改善できるようにする技術です。非常に厳しい業界の開発スケジュールやプロセスを考慮すると、これを実現するためには、Simcenter STAR-CCM+などのCAE/CFD技術の使用が不可欠です。

レースカーの技術を量産車に応用

自動車メーカーにとって、モータースポーツに参加する主な目的は、モータースポーツが生み出す宣伝効果を得ることだけでなく、先進技術を迅速に開発することです。特に、レースカー開発で培った技術ノウハウを社内で展開・共有し、その知識を量産車の開発に活かしていくことが重要です。

MSUDDの使命は、レース活動を通じて先進技術を開発し、その技術を量産車に応用する支援をすることです。MSUDDは、社内の量産車部門と定期的にミーティングを行い、双方向の知識共有や議論を行っています。解析技術だけでなく、流体制御手法などの空気力学技術についても情報を共有しています。

モータースポーツの空気力学開発は非常に速いペースで進んでいます。つまり、最短の時間で最高の結果を出す必要があるのです。たとえば、1つの開発部品のCFD設計ループは約2週間です。ここでの成功の鍵は、その期間にできるだけ多くの計算を実行して、最適なソリューションを特定できるかどうかです。このため、実車の空気力学特性には非定常現象や非常に複雑な流れが含まれているにもかかわらず、主に使用されているのは、定常状態の計算です。したがって、精度と計算速度のトレードオフを見つけることが重要です。

「計算精度とターンアラウンド・タイムの短縮という相反する力のバランスを取るのは至難の業です。」とHojo氏も同意します。「常に、新しい部品を開発して性能を向上させなければならない、というプレッシャーにさらされているため、これは最も難しい課題の1つです。2週間の開発サイクル中に非定常計算を効率的に行う方法が見つかれば、この課題の解決に役立つでしょう。」

Kato氏は次のように述べています。「エンジンについては、これまでも計算精度の課題に直面してきましたが、今では、シミュレーションと実世界での試験を緊密に相関させることが可能になっています。現在、私たちが実装した改善の大半は、トラックで望ましい成果を上げています。Simcenter STAR-CCM+を使用してできるようになったことに非常に満足しています。さらなる自動化と最適化を通して、一層の効率改善を進めていきます。」

仮想試験の結果を現実と照らし合わせる

ル・マンはFormula 1とは異なり、風洞試験に費やす時間を制限する規則がありません。最終的な意思決定は風洞試験の結果に基づいて下しますが、限られた資金と時間で効率的な開発を行うには、CFDが不可欠です。

CFDに重点を置いた設計・開発を行う際に問題となるのは、信頼性や精度です。そのため、風洞試験とCFDの結果の相関関係を確認して、シミュレーション・アプローチを検証することが極めて重要になります。これを行うために、ダウンフォース、抗力、表面圧力分布などの空気力学値を、力測定や粒子画像流速測定 (PIV) などの実験結果と比較します。風洞は現実の条件をシミュレーションするため、風洞の結果は、解析で使用するメッシュ解像度と計算設定を調整するための基準として扱われます。このため通常は、非常に多くの計算ケースを評価します。

空気力学グループは、実車での測定も行っています。車両がトラックを走行している間にダウンフォースなどの空気力学値を取り込み、風洞とCFDの結果の比較データを取得します。不一致がある場合、エンジニアは風洞試験とCFDモデルを改善する方法を検討します。CFDの精度改善は、非常に短い期間に (次の風洞試験やレースに間に合うように) 実装しなければならないケースもありますが、中長期的に実装する改善もあります。

エンジン・グループでは、エンジンを実車に搭載する前に厳しい評価を行い、その結果に基づいて最も効果的な部品のみを装着しています。そのため、レース中には評価はほとんど行いません。異常があれば (即時の対応が必要な異常も、中期的な対応を待てる異常も) すぐに特定できます。

すべてをスクリプトに記録し、使いやすくする

Kato氏は、シーメンスデジタルインダストリーズソフトウェアの製品とサービスについて次のように述べています。「過去にさまざまなCFDソフトウェアを使用した経験がありますが、Simcenter STAR-CCM+とSTAR-CDのほとんどの機能はスクリプトで管理できるため、GUIを開く必要がありません。バッチ処理で実行するオペレーションを定義するのも非常に簡単で、最適化や他の外部ソフトウェア・アプリケーションにもシームレスに接続できます。今日では、流体に基づく計算だけでは十分ではありません。シーメンスデジタルインダストリーズソフトウェアのアプリケーションは、上流プロセスと下流プロセスの両方のさまざまなアプリケーションと組み合わせて、驚くほど簡単に使えます。また、非常に実用的で、スクリプトは誰でも読み込めます。」

空気力学の面でも、解析モデルの作成も含めてすべてスクリプトで実行されるため、エンジニアからも「慣れてしまえば非常に使いやすい」とのフィードバックが来ています。空気力学では、STAR-CDの登場以来、データ処理は完全に自動化されましたが、引き続きSimcenter STAR-CCM+によってすべてが完全自動化されるようになっています。解析を実行する際には、個々のエンジニアが解析結果にランダムなばらつきを持ち込むことがないように、すべてを標準化することが非常に重要です。新しいメンバーがグループに加わっても、彼らが生成する解析結果に違いが出ないようにします。また、スクリプトですべてが完全自動化されているため、スクリプトをメンバーに理解してもらうための社内教育も行っています。これにより、プロセスがブラックボックス化するのを防ぎ、新しいチームメンバーが重要なスキルを習得して成功できるようにします。

Kato氏はまた、シーメンス・ソフトウェアの長年のユーザーとして、チームが受けた技術サポート・サービスも高く評価しています。「技術サポート・エンジニアリング・チームは、非常に迅速に対応してくれます。」とKato氏は言います。「海外のサービス・プロバイダーというと、「日本のオフィスは単なる中継地点で、コンテンツも未理解のまま生の形で送られてくるのではないか」と思われがちですが、シーメンスのサービスのレベルは国内ベンダーと同等です。」Hojo氏は続けます。「解析手法は完全に確立されましたが、今後も技術開発で協力して開発ループをスピードアップしていきたいと考えています。」