高度シミュレーション技術で車両動力学とタイヤ周り流れを精密モデリング

ライス大学と早稲田大学の流体力学専門家たちがコンピューターシミュレーション手法を開発し、回転タイヤ周りの流れまで含め、走行する自動車を精密にモデル化できるレベルに到達しました。

その結果は、タイフン・テズデュヤー教授（ジェームズ・F・バーボー機械工学教授）の研究室の研究員、倉石隆氏が制作した動画で確認できます。

「彼は計算の複雑さを段階的に高めてきました。スタンドアロンのタイヤから始まり、今や車体全体をモデル化しています」と、2020年にライス研に加わった倉石氏についてテズデュヤー教授は語ります。

動画はまた、テズデュヤー教授と滝沢氏が共同で率いる先進流体シミュレーション・モデリングチームが開発した「NURBS面から体積へのガイド付きメッシュ生成法」の有効性も示しています。これは複雑形状オブジェクト周りおよび内部の流れ動力学をモデル化する手法です。NURBSは非均一有理Bスプラインを意味し、3D形状を記述し、そのような形状を含む流体・構造力学問題の計算解析を提供する数学的手法です。

モデルを複雑にしているのは、タイヤが路面と接触し、回転時に変形するという事実です。「ほぼ実車・実タイヤの形状を扱っています」とテズデュヤー教授。

手法と車両シミュレーションの詳細な説明は、先月ジャーナル『Computational Mechanics』に掲載されました。以来、ライス・早稲田チームはイラストを動画で生き生きとさせました。

「車両とタイヤ周りの気流挙動を知ることは、それらの空力性能の理解を深めます」と倉石氏。「このような高度なシミュレーションは、設計と評価において現実的な解と信頼できる答えを提供するために重要です。」

NASAのオリオンカプセル用回収パラシュートもモデル化してきたテズデュヤー教授は、計算解析におけるNURBSの利用が近年劇的に増え、メッシュポイント数を減らすことで効率と精度を両立していると語ります。メッシュを、オブジェクト周りの流体（空気など）のネットと考え、メッシュポイントが3D要素内に存在します。オブジェクトが動くと、ポイントと要素も動きます。

走行車両の一モデルでは、NURBSを用いた計算流体解析が約110万ポイントで達成され、従来手法のわずかなポイント数で精度を維持しました。これにより計算コストも低減します。

「車両とタイヤ周りに3Dメッシュを張り、タイヤ表面付近により多くのポイントを配置して精度を高めています。タイヤが回転するとポイントと要素も一緒に回転しますが、問題はタイヤ回転に伴いタイヤ下の要素が崩壊することです——これは他の手法では扱えません。我々の手法なら可能で、精密シミュレーションの鍵です。」

「時間が経てば、自然と新しいタイヤ設計や改良が検討されるでしょう。タイヤメーカーがプロトタイプ投資前にこの種のシミュレーションを行うことは非常に有益です。他の方法では得難い、タイヤ周りの空力に関する包括的で詳細な数値データが得られるからです。」

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