自動車の衝突シミュレーションは、自動車メーカーのエンジニアが取り組んでいる仕事の中でも最も困難で、なおかつ最も重要なものの1つである。自動車の衝突時には、非常に複雑な物理現象が、ごく短時間の間に発生する。材料はあっという間に変形し、その結果は人の生死を左右する。

　衝突シミュレーションは、自動車の衝突時に何が起きるのかを、できる限り忠実にモデル化することを目的としている。衝突時に発生する現象には、部品やアセンブリの破壊、座屈、ねじれ、せん断、伸び、断裂がある。乗員の体には、加速度が働く。関連する物理現象を正確にシミュレーションできる解析モデルは、自動車の安全性向上に大きく貢献する。

　また、コスト面での効果も大きい。実際の物理的な衝突試験は毎回1度きりしか実施できないが、有効な衝突モデルのシミュレーションは、大幅に少ないコストで何百回も繰り返すことができる。

　衝突シミュレーションの分野では、FEA（有限要素法）ソフトウエアを開発している複数の企業が、新たなテクノロジーの開発に取り組んでいる。米ABAQUS社では、BMWグループの研究者とともに、この分野でさまざまな共同研究プロジェクトを実施している。その結果、車両構造の耐衝撃性と乗員の安全性について高精度に予測できる各種のツールが開発されているが、そのうちのいくつかを以下に紹介する。こうした開発成果の大部分は、ハイパフォーマンスコンピューティングによって実現可能となったものである。

　BMWやその他の自動車メーカーは、自動車の軽量化と耐衝撃性の向上に役立つ新たな構造材料の可能性を積極的に探っている。検討されている材料には、各種のアルミニウムやマグネシウム合金に加え、最新の高強度鋼も含まれている。ただし、こうした材料には、従来の自動車構造材料には見られなかった破壊メカニズムが存在する場合がある。

　例えば、アルミニウムもその1つだ。実験によると、アルミニウム合金の板金と薄肉押出素材は、材料内部の空隙の核形成、成長、併合によって延性破壊する場合があることが分かっている。せん断帯の内部に発生する亀裂が、せん断破壊につながる場合もある。それ以外の破壊は、局所的な不安定性に起因するものである。

　こうした新材料の衝突負荷による破壊メカニズムについての研究を支援するため、ABAQUSでは、材料破壊現象のモデリングに使用する一般的な仕組みを作り、ABAQUSソフトウエアに導入した。衝突シミュレーションでは、材料の剛性を、初期損傷の直後から、特定の破壊進行プロセスに沿って加速度的に低下させる。エンジニアは、延性破壊、せん断破壊、成形限界図、Müschenborn-Sonne成形限界図、Marciniak-Kuczynskiモデルなどの中から、1つまたは複数の初期損傷メカニズムを指定できる。

　BMWの研究者たちは、自社の使用条件における材料のくびれ現象の予測には、Müschenborn-Sonne成形限界図の指標を使う方法が特に適していると判断した。成形限界を超えた変形レベルにおいて、材料は、くびれまたは断裂といった破壊メカニズムを示す可能性が高い。Müschenborn-Sonne成形限界図を使用する方法の長所は、従来の成形限界図が線形のひずみ履歴についてのみ有効だったのに対して、板金の限界ひずみの変形履歴の影響が考慮されている点である。

　ABAQUSソフトウエアでは、衝突解析シミュレーションに、製造工程の影響を含めることもできる。衝突が起きる前に板金内部に存在するひずみを考慮しておくことにより、シミュレーションは実際の物理現象をより忠実に再現できる（図1a～1dを参照）。ABAQUSの破壊解析手法は、幅広い産業分野に適用することができる。例えば、部品製造時の金属切削加工のシミュレーションにも応用可能である。