安全第一: シミュレーションとデジタルツインのもたらす大きな効果

Ansysの構造シミュレーションとAnsys Digital Twinプラットフォームを組み合わせることで、非常に大規模で複雑な安全上の課題をより迅速に解決できるようになる様子をご覧ください。

Jeju Air社は予備報告書を公表し、2024年12月29日に韓国で発生した事故は、航空機に鳥が衝突するバードストライクが原因であることを明らかにしました。調査では、現地で生息する水鳥のDNAが機体の両方のエンジンから回収されたことが証拠となり、結論付けられました。

連邦航空局によると、バードストライクは1日あたり平均47回も発生しますが、Jeju Air社のような事故につながるケースは稀です。航空業界と米国魚類野生生物局（U.S. Fish and Wildlife Service）では、鳥の追い払い、生息地の管理、鳥の活動が活発になる時期を避けるための飛行スケジュールの変更など、こうした航空事故を発生させないための戦略が立てられています。

それでも、米国魚類野生生物局のデータによれば、航空機への野生生物の衝突は、アメリカの民間機と軍用機に対して毎年推定で9億ドルもの損害を与えています。

幸いなことに、バードストライクが避けられないような状況でも、シミュレーションを使用することができます。シミュレーションを活用し、仮想モデリングを使用して、これらの影響シナリオをテストでき、自動車、航空宇宙、防衛、土木工学、ヘルスケアなどの分野で安全を確保できるようになります。これは鳥類が巻き込まれないようにするために、航空機の設計に加えられている追加対策の1つでもあります。

では、非線形構造ダイナミクスソフトウェアであるAnsys LS-DYNAとシミュレーションベースのデジタルツインプラットフォームであるAnsys Twin Builderを組み合わせることで、複雑な安全工学の課題や、業界にまたがる他の課題に対処するために提供されるシンプルなアプローチについて見てみましょう。

LS-DYNAでモデルサロゲートを特定

LS-DYNAでは、大規模な安全性の課題を解決するための、この連成アプローチの基盤が提供されます。Ansysの構造解析ソリューションの中でも、LS-DYNAは1つではなく複数のマルチフィジックスソルバーで構成されている有限要素法解析（FEA）ツールであるため、このような課題に対処する上で最適なツールです。

AnsysのプリンシパルR&DエンジニアであるAnirban Basudharは、次のように述べています。「ある特定の物理場を扱うことに優れている他のソルバーと比べて、LS-DYNAは複数の物理場に対応できる機能を備えています。複数の物理場を一緒に解析できるような強力な連成（モノリシック連成）が可能になり、解析結果の精度が向上します。」

このように、LS-DYNAは短期的かつ非定常で非線形性の強い動的イベントの解析に適しています。具体的には、車両の衝突試験、落下試験、イベント（爆発など）による衝撃を考慮する防衛用途が含まれます。しかし、これらのシミュレーションには、膨大な計算リソースが必要です。

こうした状況で、Twin Builderの次数低減モデリング（ROM）機能が役立ちます。LS-DYNAでは、有限要素法モデルにおけるサロゲートモデルとして、より複雑な構造を置き換えることができ、精度を損なうことなくシミュレーション時間を短縮できます。

Twin BuilderのROMテクノロジーを使用した解析

LS-DYNAでは、シミュレーション結果を計算するために、物理モデルの離散化を実行します。正確な結果を得るには、この離散化を非常に細かくする必要があり、計算コストが高くなります。

ROMの最大の利点は、忠実度の高い複雑なモデルを単純化できることです。ROMでソースモデルの挙動を捉えることで、システムの支配的な効果を最小限の計算リソースで迅速に調査することができます。標準コンポーネントの既存データを再利用できるようになることで、LS-DYNAでのシミュレーション時間を大幅に短縮できます。

Basudharは次のように述べています。「LS-DYNAとTwin Builderの統合により、個別コンポーネントの一部をROMに置き換えることができます。ROMは、これらのコンポーネントにおける、計算コストの低いサロゲートとして代用できます。」

事例として、この連成シナリオでは、実行済みのLS-DYNAシミュレーションの結果に基づいて、Twin Builderを使用して事前にオフラインでROMを作成しておきます。その後、有限要素法を用いて数個のコンポーネントのみをモデル化し、残りはTwin Builderライブラリを使用して簡略化されたROM評価で表現します。LS-DYNA/Twin Builderの連成による最も大きな利点は、結果の精度を損なうことなく、より高速なROM解析が可能になることです。

構造ROMの統合とAnsys optiSLang Proの優れた機能

一般に、このシミュレーション手法は、設計期間または設計段階間で大きく変化しない標準コンポーネントに対して使用されます。これにより、将来的にLS-DYNAを使用して効率的で高速な解析が可能になります。

さらに、この統合により、プロセス統合および設計最適化ソフトウェアであるAnsys optiSLang Proの機能を、設計最適化と確率解析を行うLS-DYNA内で使用して、自動車および航空宇宙分野における衝突シミュレーションや構造解析を強化できます。この機能は、通常はリモートクラスタ上で、一連の代表的な設計（「実験設計セット」と呼ばれる）に基づいて、LS-DYNAシミュレーションのスケジュールを設定するために使用します。

解析後、optiSLang Proでは、選択したデータに対するLS-DYNAデータベースを読み込み、Twin Builderに入力するのに適した形式でデータをまとめてエクスポートします。その後、Twin Builderを使用して、LS-DYNAモデルのROMを作成し、そのROMがLS-DYNAモデルのサロゲートとなります。このサロゲートをLS-OPTワークフローでサロゲートソルバーとして使用して、設計の最適化や信頼性／ロバスト性の調査を迅速に実行できます。

他のケースでは、LS-OPT機能を使用して、ROMコンポーネントを作成し、それをLS-DYNAモデルと接続して結合させることができます。

Basudharは次のように述べています。「この作業は、一般的には設計期間または設計段階間で大きく変化しない標準コンポーネントに対して行われます。そのため、ROM最適化と呼ばれるプロセス中に、これらのコンポーネントを再利用して、LS-DYNAで効率的かつ高速な解析を実行できるようになります。」

自動車の衝突安全性を理解するための最適解

このLS-DYNAとTwin Builderの組み合わせは、OEMメーカーにとって重要な優先事項である、自動車の安全性を大幅に向上させることができます。車両の安全性は収益性に直接影響し、耐衝撃性が高まることで、ブランドの信頼性も高まります。設計上の不具合によるインシデントは、コストのかかる製品リコールにつながり、乗員が負傷または死亡する事故の発生率を高め、社会的な信頼を損なう可能性があります。

LS-OPT機能による構造ROMの統合は、自動車業界に次の2つのメリットをもたらします。

• 設計プロセスを加速させます。ROMが作成されると、対応するLS-DYNAシミュレーションと比較して、ROMの評価が極めて迅速になり、設計調査のスピードアップにつながります。LS-OPT機能は、自動化された設計プロセスでTwin Builderをソルバーとして実行するためのインターフェースを備えているため、大きなメリットが得られます。これにより、ROMのみを使用するか、さらに多くのLS-DYNAシミュレーションと組み合わせて強化することで、設計の最適化や統計解析を高速化できる柔軟なプロセス統合プラットフォームが実現します。
• LS-DYNAシミュレーションを加速させます。標準コンポーネントの力およびトルク対変位および回転のROMは、事前にトレーニングして、ハイブリッドシステムレベルのLS-DYNAシミュレーションで使用できます。このシミュレーションでは、一部のコンポーネントが有限要素コンポーネントで、残りはインターフェースROMで表現されます。これにより、シミュレーションの大幅な高速化が可能になり、通常計算コストが非常に高くなるシステム解析が容易になります。

前述したように、このアプローチは、通常は設計変更が想定されない用途に適しています。

たとえば、Ansysのチームは、あらゆるタイプの車両やシートに取り付けられる標準コンポーネントのリクライニング機構の開発に取り組んでいます。このタイプの部品は200万から1000万の要素で構成され、非常に詳細になります。これは、LS-DYNAで解析を実行するにはコストのかかるコンポーネントであり、ROMの使用が最適となるユースケースです。

Senior principal R&D engineerであるNielen Standerは、次のように述べています。「LS-DYNAにおける包括的なシミュレーションでは、シート全体、シートに座らせたダミー、さらに車両内のその他さまざまな部分を構成する要素を考慮することができます。これらの車両にはサプライヤーから提供された多数の標準コンポーネントが搭載されていますが、こうした標準コンポーネントが含まれている場合、それらをROMに変換してから、LS-DYNA解析に連成させることで、時間を節約することができます。」

ただし、このシナリオでは、スピードアップを実現するために精度が若干犠牲になるというトレードオフが生じます。最大10%～15%の精度低下が生じますが、開発全体から見れば、この損失はわずかです。事前設計段階で実行されるシミュレーションの精度は、シートシステム全体を考慮する最終設計段階の精度ほど重要ではありません。

具体的には、ROMを作成し、車両シート設計を改良する際に設計に加えた変更点が応答やその他の関連基準にどのように影響するかを調査するために、さまざまな予備作業を行えるようになります。たとえば、このシステムを調査するためのシートとダミーを使用したスレッドテストシナリオを考えます。

Standerは次のように述べています。「たとえば、このスレッドテストでは複数の物理場を扱いますが、いくつかの物理場は他の物理場よりも重要で、コストがかかります。ユーザーは、計算時間が長くなるのを懸念して、すべての基準を含めることをためらうこともあるでしょう。ROMの代替を検証に含めることは、100%の精度ではないものの、ある程度の精度を確保できるため、状況によっては問題にはなりません。この方法により、コストを抑えながら、追加の荷重ケースや分野を最適化プロセスに含めることができます。」

このようなシナリオでは、LS-DYNA/Twin Builder ROMベースの解析アプローチの本質的な価値が示されます。シートシステムなど、システム全体の新しい側面を考慮できるため、開発サイクルの初期段階でさまざまな事を迅速に発見できるようになります。その結果、節約できた時間を、精度が最も重要となるサイクルの最終段階にかけることができます。

LS-DYNA衝突シミュレーションの効率化、ワークフローの最適化、ロバストなシステム開発の加速を実現するTwin Builder ROMなどのAnsysソリューションについては、オンデマンドウェビナー「次数低減モデルとHybrid Analyticsを使用してAnsys LS-DYNAシミュレーションを加速」をご覧ください。