さらなる勝利のシミュレーション: 現学生フォーミュラチャンピオンが自身初の電動レーシングカーを開発

毎年、何百人もの学生がイングランドの有名なシルバーストンサーキットで開催される学生フォーミュラのレーシングカー大会に参加しています。優勝する一人乗りレーシングカーの製作を目指すチームは、メインレースに向けて約10ヶ月間、車両の設計と開発を行います。

昨年、スコットランドのグラスゴー大学のUGRacingが優勝しましたが、今年は自身初の電気自動車（EV）を設計するため、リスクが増しています。これにより、連続優勝ははるかに困難になります。

EVの設計に関わる新たな課題に対応するため、チームはAnsysのマルチフィジックスシミュレーションを使用して、車両とバッテリ全体の熱、流体、機械のダイナミクスを解析しています。Ansys学生チームパートナーシップを通じてツールにアクセスできるUGRacingは、フロントシートのシミュレーションを使用して、今夏の別の大会の勝利に向けて戦略を練っています。

電気駆動による成功

今年の学生フォーミュラ大会は25周年を迎え、7月19日から23日まで開催されます。大会は1998年から英国機械技術者協会（IMechE: Institute of Mechanical Engineers）が運営していますが、学生はさまざま学歴を持っています。UGRacingは、工学、教育、法律、設計など、学部レベルから博士レベルまでの約200人のメンバーで構成されています。

毎年、学生はゼロから車を設計する必要があり、前年のモデルを使用することはできませんが、ほとんどのチームは洞察のために以前の設計を参照しています。しかし、新しいタイプの車を試すため、今回はUGRacingにその選択肢はありません。

UGRacingのアキュムレータチームの責任者であるLuke Waugh氏は次のように述べています。「毎年、燃焼機関（ICE）車やEVに関係なく、ゼロから始めて、新しい設計とシャーシを組み込む必要があります。しかし、通常は毎年、前年の設計から改善されます。ICEからEVへの切り替えは、以前の車両を参考にすることも、そこから改善することもないため、歴史的なことです」

Waugh氏は、チームの最新EVモデルのアキュムレータ設計を監督しています。アキュムレータは高電圧バッテリの別の言い方であり、EVにとってバッテリは車の性能に不可欠です。

チームメイトでUGRacingの熱管理エンジニアであるLukasz Poloczek氏は、Ansys Fluentを使用して数値流体力学（CFD）解析を実行することで、アキュムレータの冷却状態が維持されていることを確認しています。Fluentを使用すると、車両全体およびアキュムレータへの空気の流れを調査できます。この洞察により、Poloczek氏は、理想的なバッテリ温度を維持するために必要なファンの数と空気がどの方向に流れる必要があるかを判断します。

Poloczek氏は次のように述べています。「Ansys Fluentは、電力冷却の理解に多大な貢献をしてくれました。そうでなければ、どのような改善が必要か、冷却が均等かどうかを理解できずに盲目的に作業を進めてしまうからです。たとえば、特定のスポットが加熱しすぎて、モデル全体が停止する可能性があります。Fluentは、完全なシミュレーションを実行でき、車両全体の空気の流れを確認できるため、非常に優れています」

UGRacingは、直流（DC）電圧をインバータに出力する400Vアキュムレータを設計しています。このアキュムレータは、DC電圧を三相交流（AC）電圧に切り替えます。三相配電は、単相回路よりも効率的な一貫した電力の流れを提供し、必要な材料と質量を減らします。

Poloczek氏はまた、Ansys SpaceClaim 3Dモデリングソフトウェアを使用してFluentシミュレーションのジオメトリを設定し、チームの構造責任者は、Ansys Mechanicalの有限要素法解析（FEA）を使用してシャーシを設計しています。構造チームは、シャーシのさまざまな部分にかかる力をシミュレーションすることで、軌道上のさまざまな力にどのように反応するかを予測できます。

大会に勝つことは望ましいですが、この場数を踏む実践的な経験がチームの真の目的です。

UGRacingの運転責任者であるCisa Muir氏は次のように述べています。「最終的にこのチームが存在する理由は、授業では得られない実践的なスキルを学生に教え、将来的に役立つ実地経験を提供するためです。彼らは即戦力になり、業界の人が持たない何年もの経験をすでに持っていることになります。Ansys Academicプログラムを通じてAnsysシミュレーションツールを使用できることで、学生とチーム全体がさらに前進することができます」

シミュレーションによるスピードバンプの低速走行

以前のEV設計を確認しない場合、チームはシミュレーションの予測的な洞察に大きく依存します。シミュレーションを解析後のツールとして使用したり、設計後の検証に使用したりする代わりに、チームは設計全体を通してシミュレーションを使用しており、新しいアプローチに大きな価値を見出しています。

「私たちが抱えていた最大の課題の1つは、物事をまとめ、構築した後に何か問題があることに気づくことです。Ansysシミュレーションを使用することで、現在の設計がどのように設定されているかについて、即座に継続的な応答結果が得られます。これにより、計画に沿っているときではなく、設計の進行中のプロセスで、これらの変更を実装することができます」とWaugh氏は述べています。「最初にシミュレーションを行うことで、問題があることにあとで気づくのではなく、設計を早い段階で変更することができます」

チームは通常9月に車の設計を開始し、製造に十分な時間を確保するため、1月初旬までに最初のレンダリングを完了させることを目指しています。このプロセス中に、設計が具体化され、サイズを含めて調整したいものを決定できます。現在、今年のモデルであるUGR23は、全長約2.8m、幅約1.4mとなっていますが、最終的な設計はコースに入る前に変更することができます。意外なことに、チームはメインイベントで車を組み立てます。

Waugh氏は次のように述べています。「車検を通過する必要があります。通常、チームが車を調整し、ガレージに設置して車を組み立て、最高の状態で進める準備をするのに約2〜3日かかります。多くのチームが長い道のりを歩んでいますが、車全体を組み立てて送るだけでは不十分です。必ずトラックで組み立てなければなりません」

学生フォーミュラ大会は5日間にわたって開催され、次のような静的および動的な課題のラウンドがあります。

メインレースは動的競技の耐久性部分と位置づけられ、1周1kmを22周します。昨年は60チームが参戦しましたが、EV車を使用したのは20台のみでした。その中で、車検を通過したのはわずか6台でした。これは、UGRacingの今後の挑戦を示唆しています。今年は100チームがレースに参加すると予想されていますが、ICEとEVの割合はまだ明らかにされていません。

前述のように、EVの最も重要なコンポーネントの1つはバッテリ性能です。シミュレーションとUGR23のおおよその車両パラメータを使用して、チームはゴールラインを通過するために7.5kWhのバッテリ電力が必要になると推定しています。

Fluentの熱モデリング機能は、性能を向上させるためのバッテリ温度の理想的なバランスを見つけることで、チームがこの目標を達成するのに役立ちます。

Waugh氏は次のように述べています。「バッテリが熱くなりすぎると停止し、すべての性能が即座に遮断されます。しかし同時に、システムから拒否できる熱が多いほど、より高い電流を走らせることができるため、より高い電力と相関します」

勝利チームのための勝利ツール

Muir氏は、チームにとって最もやりがいのある瞬間は2022年の勝利後に来たと述べています。

Muir氏は次のように述べています。「私たちはスコットランドの歴史の中で最も成功したチームです。非常に誇りに思います。私たちはグラスゴーとスコットランド全体を代表したいと思います。昨年の大会で優勝した後、スコットランドのチームを含む国全体が私たちを応援し始めたのを目の当たりにして、今年は本当にワクワクしました」

Ansysは、シミュレーションツールの手頃な価格と利用しやすさを確保し、将来のエンジニアを育成するための科学、技術、エンジニアリング、数学（STEM）教育を促進することに専念しています。

Muir氏はさらに次のように述べています。「私たちがこれらの素晴らしい製品を無料で利用できるという事実は非常に革新的なことです。残念ながら、Ansysの支援と寛大さがなければ、私たちはそれを購入するのに苦労し、Ansysのようなパートナーの助けがなければチームは存在しませんでした」

詳細については、Ansys Academicにアクセスして、学生設計チームのプログラム情報とリソースを確認してください。