EPFLで未来のために設計する若いエンジニアに刺激を

SpaceX ハイパーループポッド大会 に招待された上位3チームの1つであるEPFLoop は, マルチフィジックスシミュレーションを使用して, 独自の設計上の利点を備えることに全力で取り掛かりました.


Brianne Christopher著
2019年7月

毎年開催される SpaceX ハイパーループポッド大会 の期間中, エンジニアリングチームはハイパーループポッドの設計と構築に取り組みます. ハイパーループコンセプトの最終的な目標は, 高速, 大陸間, および自走式の輸送モードを実現することです. そのようなシステムは, 輸送の経験に革命をもたらし, 他の移動手段に対する環境にやさしい代替手段を提供します.

Figure 1. An inside view of the hyperloop test track.

ハイパーループテストトラックの内部ビュー.

2015年にイーロン・マスクの発案により始まったハイパーループポッド大会は, ロサンゼルス南西部に位置するカリフォルニア州ホーソーンで毎年夏に開催される1週間のコンペティションで最高潮を迎えます. コンテストの1週間を通して, 参加者はハイパーループポッドの設計を1マイルのトラック(図1)で時速約500 kmの速度でテストします.

世界のトップエンジニアと共に働く

毎年, 世界中の上位20チームがカリフォルニアの試験施設に招待され, 上位3チームは最終イベントで真空下でトラックを走ることができます. EPFLoopは初出場として, その年に真空で実行する3つのチームの1つとしてフィナーレに出場することで全ての期待を上回りました. さらに印象的だったのは, テスト週間の終わりに1位に輝き, ポッドが設計の信頼性が最も高いと言われたことです. 全体的に, EPFLoopチームは, ポッドのパフォーマンスに影響を与えたテストトラック上の予期せぬほこりの存在により, 競技の最終日に高速ランで3位にランクインしました.

SpaceXでの彼らの経験は, 多くの理由で非常に貴重です. 工学部の学生と技術顧問で構成される EPFLoop 競争チームは, スイス連邦工科大学ローザンヌ(EPFL)で結成されました. EPFLoop チーム の主任顧問であるMario Paolone博士は, ハイパーループポッド大会は「学生と若いエンジニアが世界のトップエンジニアと共に最先端の課題に参加するチャンス」であると述べています. ハイテクのテスト機器を使用したり, 専門のエンジニアと肘を擦ったりする機会に加えて, この経験は, 学生にとってエネルギー効率の高い輸送手段の研究の重要性を学ぶ絶好の機会です. また, 学生は研究に興奮し, エンジニアリングのキャリアを追求するように刺激されます.

ハイパーループポッドのシミュレーション

SpaceX を訪問して高度なテスト施設を体験する機会以外にも, EPFLoop に参加する学生は, マルチフィジックスシミュレーションを使用した貴重な経験を得ることができます. EPFLoop のハイパーループポッドデザイン(図2)の各側面には, モデリングとシミュレーションが含まれます. 実際, Paolone氏はシミュレーションを彼らのプロジェクトの「コア」と呼んでいます. 明らかな理由の1つは, チームの60メートルのテストトラックが, SpaceXの1マイルのテストトラックには遠く及ばないことです. その結果, 彼らのテストが低速でのシミュレーションの結果を確認できた場合も, 彼らはまだ高速で何が起こるかについての洞察を得るためにシミュレーションソフトウェアに依存していました. 「ポッドのすべてのコンポーネントをシミュレートおよび検証する必要があります」と EPFLoop の技術リーダーであるLorenzo Benedetti博士は言います.

Figure 2. The EPFLoop hyperloop pod design.

EPFLoop ハイパーループポッドの設計.

COMSOL Multiphysics® ソフトウェアを使用して, EPFLoop チームはハイパーループポッドの複雑なコンポーネントを分析し, SpaceX構内に足を踏み入れる前にそのパフォーマンスを予測することができました. さらに, チームは, 機械的, 流体的, 電気的, および材料科学の現象を含む, 複数の物理的効果を一度に確認できる必要がありました.「このプロジェクトは本質的に学際的です」とBenedetti氏は言います. 例えば, 設計チームは, 軽量の複合炭素繊維で作られたポッドのエアロシェルがテストトラックでどのように機能するかを確認したいと考えていました. シェルの空力抵抗を最小限に抑えるために, 彼らは形状最適化と機械的応力の研究を組み合わせた計算流体力学(CFD)分析を実行しました(図3).

Figure 3. The turbulent kinetic energy around the hyperloop's composite aeroshell structure.

ハイパーループの複合エアロシェル構造の周りの乱流運動エネルギー.

エアロシェルは軽量で, 加速時と減速時の空力に耐えることが必要でした. チームは「高マッハ数フロー」インターフェースを使用して, ポッドの揚力係数と抗力係数を求めました. 次に, CFD分析の圧力分布結果を使用して, LiveLink™ for MATLAB® を介して, 最適化された空力形状を見つけました.

チームはまた, 高速運転中にポッドの圧力容器が真空下でチューブ内でどのように機能するかを確認する必要がありました. 彼らは, 電池とポッドの電気部品を保管する真空防止エンクロージャーを設計しました. 実際, 一部の電子機器は真空状態に耐えることができず, 標準以下の設計では, 内部部品がトラック(本質的には真空管)に直接曝されて破壊される可能性があります. チームは, COMSOL® ソフトウェアの「シェル」インターフェースを使用して層の重ね合わせを考慮しながら, 容器複合圧力容器の設計の構造解析を行いました. 次に, 構造応答を最適化して,可能な限り最小の重量にできるようにしました. 次に, 最適化されたポッド設計でTsai–Wu安全係数と主応力を, 最適化されたポッド設計で解析しました.

停止位置までスライド

ハイパーループのブレーキシステムは, マルチフィジックス設計のもう1つの例です. ブレーキは, ポッドが最高速度に達した後, ポッドを安全に減速できる必要があります. ただし, チューブ内の真空状態により, ブレーキシステムの温度が極端に上昇します. 空気がない場合, 空気への対流による熱放散はなく, 熱はブレーキパッドに蓄積されたままとなります. ブレーキ部品が期待どおりに機能することを保証するために, EPFLoopチームは, ブレーキシステム設計のために熱伝達と機械シミュレーションを組み合わせました(図4).

Figure 4. The temperature profile in the hyperloop's braking system.

ハイパーループのブレーキシステムの温度プロファイル.

チームは, 「伝熱(固体)」インターフェースを使用して, ブレーキ中およびブレーキ後のブレーキシステムの温度プロファイルを分析して, ハイパーループポッドに損傷を与えるほど高温にならないことを確認しました. 次に, 「並進運動」機能を使用して, 摩擦によって引き起こされる電力損失, つまりブレーキの温度上昇を推定しました. チームはこの情報を使用して, 革, 熱可塑性ポリウレタン, 石膏, および自動車業界で使用されているいくつかのより古典的なブレーキパッド材料で作られたものを含む, 様々なブレーキパッドオプションの材料スイープを実行しました. シミュレーション分析により, チームは, ブレーキシステムを目的の温度範囲内に保つことができるため, 外部企業によってカスタマイズされた材料がブレーキパッドに最適な材料オプションであることを確認するのに役立ちました. チームの詳細なシミュレーション作業は成果を上げました. 「審査員の1人に, 私たちのアプローチは「非常に説得力がある」と評価されました」とBenedetti氏は言います.

人生を形作る経験

EPFLoopの最も印象的な側面は, ポッドのデザインや大会のランキングではなく, プロジェクトが参加した学生に与える影響です. EPFLの博士課程に在籍し, チームの空気力学グループの責任者でもあるNicolò Riva氏は, この経験により「学界に留まり,同様のプロジェクトに参加したいと思うようになった」と語った. 2018年の競争チームに参加している学生のZsófia Sajó氏は, EPFLoopが彼女に「太陽光発電と輸送用のクリーンエネルギーに関係する何かをする」ように促したと述べています.

プロジェクトに対するPaoloneの印象は, 彼のチームメンバーがこの経験によって学んだ教訓を反映しています. 生徒たちは, やる気, 意欲, そして献身をもって, 自分たちの自由時間を使ってEPFLoopに参加していました. 「将来のためのクリーンな交通手段を設計することに従事するために, 私たちはこのような人々を必要としています」と彼は言います.

The EPFLoop チーム.

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