身近な科学検証シリーズ
私たちアルテアは、スター・ウォーズのダース・ベイダー率いる帝国軍を応援しているわけではありませんが、銀河帝国についてひとつ言えることは、彼らは多産なエンジニアだったということです。TIEファイター、AT-AT スノーウォーカー 、スター・デストロイヤーなど、大規模な兵器開発に特化していたようで、一人の人間が生きている間に月サイズのデス・スター2基を設計、エンジニアリング、製造できたことは言うまでもありません。
しかし、エンジニアだらけの組織として、質よりもスピードと量を重視したことが帝国の没落につながったのではないかと考えざるを得ません。もし彼らがAltair® HyperWorks®のシミュレーション・設計プラットフォームを利用していたら、量と質のどちらかを選ぶ必要はなかったかもしれない、と私たちは考えました。
Altair HyperWorksは、マルチフィジックスのあらゆる側面をカバーする包括的な設計・シミュレーションプラットフォームです。市場で最もパワフルで汎用性の高いオープンなプラットフォームであり、さまざまな業界向けの摩擦のない包括的なコンピュータ支援エンジニアリング（CAE）ソフトウェアをエンジニアに提供します。もし銀河帝国がAltair HyperWorks（プリポスト処理ソリューションの主要ツールAltair® HyperMesh®を含む）を利用できていたら、設計の改善や構造最適化の可能性は無限に広がっていたでしょう。
図1：Altair® HyperMesh®でのシミュレーションに使用するAT-STの初期CADモデル
図2：AT-STヘッドと、参照用AT-STパイロットとインナーシート
AT-STの設計シミュレーション
エピソード6の有名なエンドアの戦いを研究事例として、帝国軍にとってどんな展開があり得たかを考えてみましょう。思い起こせば、この戦いで反乱軍と同盟を組んだイウォークは絶体絶命、帝国軍は勝利目前でした。全地形対応偵察トランスポート（AT-ST）は、大ダメージを与えることができる主要な乗り物でした（図1参照）。しかし、AT-STは無敵でありませんでした。イウォーク族は頭を使い、丸太という原始的な武器でこの大量破壊車両を倒しました。
図3：『スター・ウォーズVI／ジェダイの帰還』のAT-ST戦闘シーン
私たちは、性能と安全性を向上させるためにAT-STの設計を調査しました。私たちは、この社内プロジェクトを、アルテアのシミュレーションおよびデータ分析ソフトウェアを活用し、これまで様々な顧客のために実施してきた数多くの最適化プロジェクトと同様に扱いました。AT-STと丸太を複製し、陽解法ソルバーであるAltair® Radioss®を使ってAT-STの崩壊をシミュレーションしました。Radiossは、高速衝突や大変形シナリオのシミュレーション用に構築された動的陽解法ソルバーです。自動車の衝突シミュレーションでよく使用されるこのソルバーは、AT-STがイウォークのブービートラップと衝突する様子をテストするのに理想的なソリューションです。交通事故の際、自動車のシャーシが大きな荷重によって歪むように、AT-STも2本の巨大な丸太に挟まれてぺしゃんこになります。
シミュレーションでは、それぞれの木の幹に質量5,651キログラム、秒速18メートルの速度（満載の救急車が時速約64kmで走行するのに相当）を割り当てました。
図4：AT-STの映画シーンの衝突（上）とRadiossのシミュレーションによる衝突（下）の比較。
代表的なベースライン衝突シミュレーションと、アルテアの最適化ツールおよびジェネレーティブデザインツールによって、私たちはAT-STの改良設計を素早く開発しました。私たちは、巨大な丸太の猛威に耐える車両頭部の衝突安全性の解析に力を注ぎました。Altair® OptiStruct®の最適化ツールは、車両の性能を最大化するために構造を効率的に利用し、操作する方法を教えてくれました。性能目標（この場合はイウォークの木の幹への攻撃）を満たす設計を生成することで、最も凶暴な戦いにも耐えられるよう、最小の質量と最大の剛性を持つ最適な設計を生成することができます。構造が単一のケースだけにチューニングされないようにするため、最適化スタディでは衝撃が加わる位置が追加されました。
トポロジー最適化の結果、材料が必要な場所とそうでない場所についての洞察が得られました。結果、AT-ST車両頭部の効率、安全性、性能が大幅に改善されました。フリー形状最適化を通じて、形状的な特徴が構造剛性をさらに向上させ、質量を大きく増やすことなく構造を強化できることがわかりました。これらの特徴は、最適化された新しい設計を解釈する際に考慮されました。
図5： Altair® OptiStruct®によるトポロジーおよびフリー形状最適化結果
さらなるシミュレーションと最適化
これらの初期の最適化スタディにより、構造と強化部材をどこに配置すべきか、設計の方向性が示されました。衝突安全性の評価を開始するため、最適化結果の低忠実度モデルを作成し、それをRadiossシミュレーションにインポートしました。この手法は、自動車の車体設計に広く使われているアルテアのコンセプト開発「C123」プロセスに匹敵します。低忠実度AT-STモデルでは、1次元要素と粗いシェルメッシュを使用し、衝突性能を評価しながら迅速に設計を検討できるようにしました。
図6：Altair® HyperStudy®による梁とシェルの低忠実度1Dモデル
私たちはまず、衝突性能を向上させるために、さまざまな1Dビーム接続を何度か繰り返すことから始めました。構造に満足したら、Altair® HyperStudy®を使ってシェルパネルの厚みや1Dビーム要素の断面を調整し、構造をさらに最適化しました。HyperStudyは、あらゆるシステムモデルの設計空間をスマートかつ効率的に探索する、複数性能にわたる設計スタディソフトウェアです。マルチフィジックス制約を考慮しながら、データの傾向を理解し、トレードオフスタディを実行し、設計性能と信頼性を最適化できます。
図7：低忠実度1Dビーム・シェルモデルRadioss衝突シミュレーション
低忠実度モデルから得た知識をもとに、より忠実度の高い解釈を作成し、最終的な板厚最適化スタディをHyperStudyで実施しました。このスタディの設計目標は、安全要件を満たしながら全体の質量を減らすことでした。私たちの場合、AT-STの2つの内部シートの変形を制限したいと考えていました。さらに、映画のシーンを見ると、AT-STの頭部が押しつぶされた後、大きな爆発が起こります。私たちは、中央のメインMS-4ツインブラスター砲が押しつぶされたことで爆発が起きたのではないかと仮説を立てました。この爆発を防ぐことは、AT-STを操縦する帝国軍兵士の安全にとって非常に重要であったため、中央のツインブラスター砲へのダメージを最小限に抑える制約を加えました。より忠実度の高いモデルを使用したため、シミュレーションの実行時間は長くなりましたが、アルテアのHPCクラスターを利用することで、このHyperStudyの板厚最適化スタディを一晩で実行できました。
図8：オリジナルのAT-STヘッド設計（左）と最適設計（右）の比較
図9：最適化されたAT-STの詳細な特徴。
最終的に、丸太の衝撃による変形を最小限に抑えながら、2つの座席の形状を維持できるようになりました。もちろん、これはAT-STの2人の帝国軍パイロットの体型維持にも役立ちました。全体的な構造が衝突時の状況に適したものとなり、全体的な衝撃が軽減され、より具体的には、衝突時に大爆発を起こしたと推定されるMS-4ツインブラスター砲が吸収する応力が軽減されました。中央のブラスター砲は致命的なダメージを最小限にとどめたようで、機能性を維持できたようです。
最後に、おそらく最も印象的なことですが、改良型AT-STの頭部全体の質量は、オリジナルのAT-STの頭部設計と比較して178kg（15％）以上削減されたことです。ヘッドが軽くなったことで、車体の重心も下がり、機敏に動けるようになりました。
図10：オリジナル設計（左）と改良された最適設計（右）の衝突シミュレーションの比較。各設計の内部座席は左下のボックスにあります
新しい設計を検証する
最適化されたAT-STヘッドの設計をテストするため、私たちはHyperStudyで実験計画（DOE）を作成し、衝突箇所を変更して構造がどの程度耐えられるかを調べました。今回もまた、アルテアのHPCクラスターを使って、さらに200箇所の衝撃をシミュレーションしました。ほとんどの衝突位置で、シートとMS-4ツインブラスターキャノンは十分に耐え、安全要件をクリアしました。いくつかの場所では、座席とブラスターキャノンは無傷だったものの、頭部上部構造には軽傷を負いそうな損傷が残っていました（以下の最後のケースを参照）。これは、座席上部の領域の設計基準の定義方法を調整する必要があることを示しています。
図11：異なる衝突位置に対する最適設計の評価
最後に、衝撃位置DOEで作成したすべてのシミュレーションデータを用いて、Altair® physicsAI™を使用して予測モデルを作成しました。200の衝撃位置シミュレーションのうち180をAIモデルのトレーニングに使用し、そのうちの20を予測のテストに使用しました。当初は、physicsAIがモデルの幾何学的な複雑さと結果の大きな変形をどのように扱うかを知りたかったのです。
さらに、Radiossのシミュレーションでは、衝突位置の違いによって、衝突場所に非常に敏感なさまざまな衝突結果が得られました。全体として、我々は予測モデルの性能に非常に感銘を受けました。衝突イベントの全体的な挙動を見事に予測しただけでなく、有限要素シミュレーションに要した72分に対し、26秒で予測結果を出すことができました。 これは、ほぼ 166 倍の速さです。
予測結果とテストシミュレーション結果を比較した以下のアニメーションでは、結果が「ノイズが多い」となっている部分がありました。これを改善できるかどうかを見るには、physicsAIのパラメータとアルゴリズムのさらなる調査が必要ですが、全体として、ツールが結果の多様性をどのように処理するかについて、すばらしい予測結果となりました。
図12： Altair® physicsAI™による予測とAltair® Radioss®による衝突シミュレーションの比較
結論：Altair HyperWorksはエンドアの銀河帝国の鍵となり得たのか？
ここで、疑問が残ります。もし帝国がアルテアのソフトウェアの力を活用して、AT-STの構造と安全性を改善できていたとしたら、エンドアの戦いに勝利できたでしょうか？
エンドアの戦いを振り返ると、多くの要因が絡んでいます。両軍の兵士の数、戦場の地形、両軍の戦術戦略、その他もろもろを考慮しなければなりません。しかし、ひとつだけ確かなことがあります。AT-STを操縦していた帝国軍の兵士たちは、AIによる構造最適化でウォーカーを設計していれば、攻撃から生き残る確率がはるかに高くなり、その結果、死傷者が減り、戦闘機はより強かったでしょう。
ただ、結論としては、帝国がアルテアのソリューションを使用しなかったことに感謝しています。イウォークの勝利は反乱同盟軍の勝利と2つ目のデス・スターの破壊を確固たるものにしました。偉大なエンジニアリングは好きですが、銀河の平和と自由はそれ以上に好きなのです。
そのためには、帝国軍のAT-STを何機か破壊することは、十分に価値があります。
＊本ブログはアルテア本社の「Digital Debunking: Could AI and Structural Optimization Have Swung Star Wars’ Battle of Endor for the Imperial Forces?」を翻訳したものです。
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