hp130080 「京」産業利用（実証利用） K Industrial Use
エアバッグを含む詳細衝突モデルによる乗員傷害値の
高精度予測の予備的研究
Preliminary Study for High Accuracy Prediction of Occupant Injury Criteria Value
by Detailed Crash Models that Include Airbags
岡田芳伸 Yoshinobu Okada
一般社団法人日本自動車工業会 Japan Automobile Manufacturers Association, Inc.
要旨 安全な車社会実現に向け、様々な安全施策を研究・開発しており、その一つとして、自動車の 衝突安全技術の開発に取り組んでいる。本研究では、自動車衝突時の乗員傷害値の予測に非常に 重要なエアバッグに着目し，衝突時の乗員傷害値を高い精度で予測する手法を開発するため、自 社スパコンでは計算規模，時間の点で実施困難なシミュレーションを、京スパコンを利用して検 証した。その結果、京スパコンで実行可能な解析モデル作成、SPH 法を含む LS-DYNA の稼動、 及び並列性能評価を完了し、京スパコンを用いれば、現実的なレベルで計算可能な目処付けを完 了した。 キーワード：安全、衝突、乗員傷害値、エアバッグ、LS-DYNA Abstract
A wide variety of safety measures are researched & developed toward the realization of a safe automobile society, one of these measures is the work being done on developing crash safety technologies for automobiles. In this research, the focus was placed on airbags that are extremely important in predicting occupant injury criteria values during an automobile crash to develop methodologies to predict occupant injury criteria values during a crash highly accurately. In order to do this, simulations, that are difficult to perform by an individual company's super computer in terms of time and the scale of calculations, were verified using the supercomputer "K computer". As a result, analytical models were created that can be run on the supercomputer "K computer", operation of LS-DYNA including the SPH method and parallel computing performance evaluations were completed, and we have concluded computable estimations at realistic levels if the supercomputer "K computer" is utilized.
Keywords: safety, crash, occupant injury criteria value, airbags, LS-DYNA
© 2016 Research Organization for Information Science and Technology All rights reserved. Received: 7 August 2015
1. 研究の背景と目的 本研究の目的は、安全な車づくりのために、高精度なシミュレーションにより自動車衝突時の 乗員の傷害値を高い精度で予測する手法を開発することである。 現在は、予測値の精度がまだ不十分であり、多くの実験による乗員傷害値の測定が必要である が、シミュレーションによって高い精度で乗員傷害値を予測することで、試作車を用いた実験の 回数を大幅に減らすことができる。もし、究極的に高い精度での予測が可能となれば、実験によ る乗員傷害値の確認は法規上必要最低限の回数で済ませ、残りはシミュレーションによる予測で 代行することができる。 2. 計算モデル 本研究では、特に、衝突時の乗員傷害値の予測に非常に重要なエアバッグに着目する。 衝突時のエアバッグの現象は、折り畳まれたエアバッグの内部に爆発的に気体が送り込まれた 際のエアバッグの膨らみという瞬間的かつ構造・流体連成の複雑なもので、高い精度でシミュレ ートすることが非常に難しい現象である。本研究では、この複雑な現象を解明するために、気体 の挙動を連成問題に強い粒子法のひとつである SPH 法を用いてシミュレートする。また、解析モ デルを詳細化することで高精度なシミュレーションを試みる。図 1 に計算モデルを示す。 (a) 車対車 衝突解析モデル (b) エアバッグモデル 図 1 計算モデル
3. 並列計算の方法と効果（性能） 利用するアプリケーション LS-DYNA の京への移植を行い、京上で大規模モデル等による性能 評価・改善内容を行った。今回は、次の 3 つの観点から性能評価を実施した。1) 領域分割の検討、 2) スケーラビリティと並列効果の検討、3) MPP 版と Hybrid 版の検討。下記では、各検討内容に ついて論述する。尚、評価にあたっては[1-5]の情報を参考とした。 1) 領域分割の検討 LS-DYNA の領域分割は、性能に大きな影響 を与える重要なファクターの一つである。今回 は、2 種類の領域分割による性能を評価した。 一つは設定や入力データに手を加えないオリ ジナル設定の領域分割（以降、デフォルト分割）、 もう一つは車体の進行方向と並行に領域分割 （以降、車体進行方向分割）である（尚、領域 分割の詳細は[1]を参照）。結果は図 2 に示すよ うに、本モデルでは車体進行方向分割を適用す ることで、デフォルト分割の 4.7 倍の高速化す ることができた。尚、並列数は 256 コア並列、 物理解析時間は 5msec、利用した LS-DYNA の バージョンは、MPP R612 単精度版である。 2) スケーラビリティと並列効果の検討 車体進行方向分割を適用しスケーラビリティと並列効果の検討を実施した。32～512 コア並列、 4～64 ノード（8 コア/ノード）でスケーラビリティの検証を実施した（図 3）。4～32 ノードまで は、大きな計算時間の短縮が確認できる。また、使用した資源量（ノード時間）のグラフからも その傾向が確認できる。図 4 は、4 ノードを基準とした場合の並列化効率である。 3) MPP 版と Hybrid 版の検討
LS-DYNA は、MPI でコーディングした MPP 版、MPI と OpenMP を組み合わせた Hybrid 版が ある。MPP 版と Hybrid 版のどちらが高速かは、並列数、入力データのモデル規模、定義内容に よって変わる。並列規模が大きくなると Hybrid 版が高速となってくるが、本プロジェクトでは、 計算資源と効率を踏まえ 32 ノード（256 コア並列）実行をベースに検討をしたので、MPP 版と
図 2 領域分割検討
本データでの、32 ノード（256 コア並列）利用時での MPP 版と Hybrid 版の結果を図 5 に示す。 Hybrid 版の並列数は、32 プロセス*8 スレッド (32p8t)、64 プロセス*4 スレッド (64p4t)、128 プ ロセス*2 スレッド (128p2t) の組み合わせの 3 パターンを評価した。結果は MPP 版が最速、Hybrid 版はスレッド数が少ない方が速い傾向となった。本結果から本プロジェクトでは、MPP 版の利用 が妥当と判断した。 図 3 計算時間と資源量 図 4 並列化効率 図 5 MPP 版と Hybrid 版 性能比較 1.00 0.66 0.73 0.85
4. 研究成果 京スパコンで実行可能な解析モデル作成、SPH 法を含む LS-DYNA の稼動、及び並列性能評価 を実施し、京スパコンでの計算準備を完了した。 5. まとめと今後の課題 実際の車対車の衝突事故は、正面衝突・側面衝突等の衝突形態や、大型車・小型車等の車格の 違い、両車の速度の違い等、多種多様なケースを想定し、数百ケース（200 ケース以上）の条件 を考慮する必要があり、自社スパコン能力では到底計算できないが、京スパコンでは現実的なレ ベルで計算可能な目処付けができた（24 ノード利用で 1 ケース当り 60 時間掛かるが、京スパコ ンでは同時並行で実行可能）。 今回検証した京スパコンの計算環境を利用し、実衝突事故を想定した計算条件、実解析モデル にて解析の高精度化検討を計画する。 参考文献 [1] 金堂剣史郎、非線形動的構造解析ソフトウェア LS-DYNA の高速化への取り組み、雑誌 FUJITSU、2012-5 月号 (Vol.63, No.3), pp.345-351 (2012). http://img.jp.fujitsu.com/downloads/jp/jmag/vol63-3/paper19.pdf [2] 梅谷浩之、CAE 活動の最新動向、JAMA 電子情報フォーラム 2014 (2014).
[3] 金堂剣史郎、金澤宏幸、瀬戸山雄、堀田貴史、南一生、長谷川幸弘、梅谷浩之、Performance Evaluation using LS-DYNA Hybrid Parallel version on the K computer, 9th European LS-DYNA Users' Conference (2013).
http://www.oasys-software.com/dyna/en/events/9th_European_Conference_2013/9th_european_conference_2013.shtml [4] 金堂剣史郎、LS-DYNA の計算時間の効率化について、富士通 LS-DYNA セミナー2014 (2014). https://seminar.jp.fujitsu.com/static/upload/seminar.jp.fujitsu.com/file/91239/20140220LS-DYNA_Seminar.pdf [5] 長谷川幸弘、金堂剣史郎、金澤宏幸、瀬戸山雄、堀田貴史、梅谷浩之、南一生、スーパーコンピュータ 「京」における商用汎用構造解析アプリケーションの性能評価、日本計算工学会 (Vol.18) http://www.jsces.org/koenkai/18/program/18thJSCES_program_room_A_0509.pdf
