システムシミュレーションによるサンタのソリ設計とシミュレーション
クリスマスの夜の準備
ホリデーシーズンを迎え、サンタクロースはプレゼントを届ける準備をしています。しかし今年は、北極でのエネルギー効率を高めるために、より優れた機能を持つ新しいソリを作ろうと考えています。そこでサンタは、モデロンとModelon Impactにその開発を依頼しました。
- ソリのエネルギー効率の最適化
- サンタの電動ソリを充電し、環境フットプリントを低減
- サンタの充電ステーションの運用コストを最小化
- ソリのビークルダイナミクスの改善
- サンタのそりの動的操縦安定性と定常状態の解析を実施
- トナカイの着地と発電を成功させ、そりの操縦をサポート
- 迎角のシミュレーションにより、重いサンタのそりを安全に着地
- 燃料電池を供給するための極低温水素タンクをそりに追加
- ソリを温める
- サンタを温め、部品を劣化させないように、新しい電池の適切な動作範囲を維持するための熱管理システムを開発
サンタがModelon Impactを使用して、どのようにクリスマスの準備をし、スーパーソリを完成させたのか、ぜひご覧ください。
サンタのソリのエネルギー効率
サンタは、昨年のエネルギー分析を行い、ショックを受けました。プレゼントを届ける際、サンタは電動ソリの燃料として再生不可能な資源から余分な電気エネルギーを消費し、知らず知らずのうちに1日当たり0.3トンのCO2を大気中に放出していたのです。世界が気候変動の影響を抑え、カーボンニュートラルを目指している中、大問題だと気づきました。そこで、今年は環境に配慮した形で移動をすることにしました。サンタが考えていることは2つ。
- 環境への影響を最小限に抑えながら、電動ソリを充電すること
- 充電スタンドの運用コストを最小限に抑えること
これらの問題を解決するために、サンタはお気に入りのシミュレーションツールであるModelon Impactを使って、モデルベースデザインの技術を使うことから始めることにしました。 サンタの充電ステーションは、太陽光発電、バッテリー、ディーゼル発電機、電力網およびサンタのそりに搭載された蓄電システムによって電力需要を満たすマイクログリッドまたはローカルグリッドシステムです。電池と同様に、サンタの蓄電システムも、以下の図1でわかるように、電力のインポートとエクスポートができるようになっています。
これらのエネルギー源は、運用価格、天候、利用可能範囲などにより異なります。Modelon Impactのオプティマイザー・パッケージには、他の制約条件とともに、排出量の範囲内・最小限のコストで充電ステーションの運用を設定できる動的最適化関数が含まれており、サンタの課題に対応しています。
サンタは、充電ステーションのマイクログリッドモデルをパラメータ化した後、CO2排出量の最大値を１日当たり0.5トン以下に設定し、動的最適化でシミュレーションを実行すると、図2に示すような結果が得られました。
サンタは、オプティマイザーによって工場の運転コストが12％削減され、平均0.009ドル/秒になったことに満足しています。これにより、送電網のエネルギー輸入価格が低いときには蓄電池を利用してより多くのエネルギーを購入し（蓄電池に充電する余剰エネルギー）、価格が高いときにはそれを販売したり負荷要件を満たす（電池から放電する）ことができるようになりました。以下図3,図4参照。
Modelon Impactを使うことで、充電ステーションを効率的に運用するために、特定の時間におけるエネルギー源の理想的な組み合わせを見極めることができるようになりました。さらに、Modelon Impactは最適な操作を設計できるだけでなく、サイジング実験により、操作だけでなく部品の最適な設計も可能であることをサンタは実感しているそうです。
今後は、毎年このシミュレーションを行い、二酸化炭素排出量の多いエネルギー源を削減していく予定です。
サンタのソリを操縦
サンタのソリは、魔法とトナカイで操縦するだけでなく、車両ダイナミクスの知識も必要です。サンタのソリには、世界中のよい子のみんなのためのプレゼントがたくさん積まれています。また、木の周りや煙突のある屋根の上、狭い場所など、さまざまな路面での操縦を考慮しなければなりません。サンタは、安全性と荷物の配送効率を高めるために、ソリの性能を向上させる必要があると判断しました。そこでサンタは、モデルベース設計の最新の手法を活用してソリの設計を変更するために、Modelon Impactを利用することにしました。まず、既存のテンプレートを活用してソリのマルチボディモデルを迅速に構築し、下図に示すように、特定の路面でサンタが操縦する際の動的条件下でテストを行います。
サンタは、現在のソリの設計を一連の車両ダイナミクスシミュレーションで実行し、急そしてタイトなターンの性能について検証します。下のアニメーションで示しているように、このソリでは、サンタ、トナカイ、そして大切なプレゼントを安全に運ぶことができません。
操縦性と安定性を最適化するために、サンタはModelon Impactを使用して一連の定常状態シミュレーションを行います。下の図は、ソリの速度、コーナリング角度、路面状態の範囲において、ソリのスキッド形状を最適化し、性能を向上させるために使用した準静的コーナリングシミュレーションを示したものです。準静的実験では、図8にあるように、積載位置、スキッド形状、制御入力などの特性がソリの性能範囲にどのような影響を及ぼすかを正確にサンタに示すことができます。ソリの地面との接触力部分のアニメーションは、改良されたコーナリングレスポンスを図で再現しています。
また、サンタは、ソリが地面に接触する力のアニメーションを解析し、改良されたコーナリングレスポンスを図でフィードバックしています。これらの機能はすべてModelon Impactで利用可能です。
ソリの設計が見直されたことで、サンタとトナカイチームは、世界各地をより安全に、より速く移動することができるようになりました。
ソリの着地
サンタのソリは年々重くなっています。プレゼントをたくさん積むと、ソリの迎え角はどんどん急になり、特に着地直前には急角度になります。これは、サンタのソリの下にある動圧が低いためで、ソリに十分な揚力を発生させるためには、このように急な角度が必要なのです。
サンタはモデリングとマッチング結果の検証にModelon Impactを使用しています。家に近づくと、数秒のうちに秒速150mから秒速40m強まで減速します。通常、迎角は6度強でピークに達します。しかし、今年はプレゼントをたくさん配らなければならないので、低速で約20度は必要です。以下の図で示している通り、コントロールするのはとても難しいのです。.
Modelon Impactで減速、調整、角度の結果を見て、サンタは重要な任務を果たすために新しい方法が必要だと判断しました。そこでサンタは、ソリに小さな翼をつけ、より大きな揚力を得ることにしました。しかし、トナカイは抗力を処理できません。そこで彼は、燃料電池を供給する低温水素タンクの設計を思いつき、ソリに追加することにしました。図11の通り、翼のあるソリは、球形と円筒形の2つのデザインがあります。足元が狭くなりますが、そりのバランスが良くなるため、円筒形を取り付けることにしました。
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図 12: 2つのソリのデザインオプション サンタがModelon Impactでモデリングしたもの（GLBまたはGIF）
このようにモデリングとシミュレーションを行うことで、サンタはトナカイを補助するプロペラ用の電力を生成することができます。図12では、200kWのブーストパワーがあれば、ソリは空気力学的に非常に効率的になることが計算されています（リフトオーバードラッグのピーク値）。プレゼントを届けるのに5時間かかると仮定すると、燃料電池は50kgの水素を消費することになります。
最後に、サンタは50kgの液体水素を球形タンクの形状を利用し、最小限の質量でタンクに収容する必要があります。
図13は、構造体に断熱厚さ8mmの真空アルミホイルとガラス紙ラミネート、1.5mmのチタン壁を使用した場合の結果です。サンタは、50kgの液体水素を最小限の質量でタンクに収容可能になり、世界中の子供たちに、妖精たちが作ったプレゼントをすべて届けることができるでしょう。
サンタを温かく
サンタは、寒い冬にプレゼントを届けるために、新しいそりの熱管理システムを開発することにしました。熱管理は、サンタが快適に過ごすためだけでなく、部品を劣化から守り、新しいバッテリーの適切な動作範囲を維持するためにも重要な役割を担っています。サンタは、熱管理に必要なエネルギーは、駆動に必要なエネルギーの5〜15％程度と予想しています。したがって、効率はシステムに対して大きな影響を与えることになります。
まず、サンタはキャビンを設計する必要があります。当初、彼は詳細な数値流体力学（CFD）計算を行い、コンバーチブルルーフ、ソーラールーフ、固定式ルーフなど、いくつかソリのデザイン案を作成しました。やがて彼は、これらの設計を中の移動中、さまざまな気象条件下で検証することが不可欠であることに気づきました。そこでサンタは、図 14 に示すようなキャビン実験で蒸気サイクルを簡単にセットアップできる Modelon Impact に注目しました。
キャビンモデルのCFDパラメータが適合されると、すべてが動的実験の実行に設定されます。まず、サンタはアクティブヒーティングなしでキャビンをシミュレートし、Modelon Impactで異なる熱伝導率（G）の断熱材の性能をテストしました。図15に示すような結果（アクティブヒーティングなし）は、アクティブヒーティングがまだ必要であることを示し、それゆえSantaはこのオプションを検証します。アクティブヒーティングの制御を調整した結果の一例を図15に示します（ヒーティングあり）。このワークフローは、異なる設計オプション、暖房システム、および冷房システムに対して繰り返し行われます。
蒸気サイクルモデルとアクティブヒーティングの実験結果から、サンタはオープンカータイプを選択することにしました。
Modelon Impactは、サンタが従来の設計プロセスの中でダイナミックシミュレーションを行うことに貢献しました。サンタは、ソリの上で快適な温度でプレゼントを届ける準備ができています。
当日の夜の準備は万端！
Ho, ho, ho! サンタは、Modelon Impactのおかげで、世界中のよい子のみんなにプレゼントを届ける準備ができました。サンタのように、モデリングとシミュレーションは、数多くの種類の業界や 分野に適用できます。Modelon Impactの機能についてもっと知りたい方は、私たちのエキスパートチームにぜひご連絡をください。それでは、楽しいホリデーシーズンをお過ごしください。