鉄道は車輪とレールが常に接触面を変え、転がりながら進む。車輪とレールのような連続的な動きをシミュレーションするには、複雑な力学現象を再現する必要があり、膨大な計算式が必要となる。鉄道総合技術研究所（鉄道総研）では、レールの摩耗や亀裂など、劣化のメカニズムを解明するため、スーパーコンピューターを用いてレール上の車輪の転がりを再現。劣化のメカニズムが解明されれば、摩耗や亀裂を回避し、保守も適切にできるようになる。鉄道の安全性向上を目指し、研究が進められている。
　
　【有限要素法に】
　鉄道総研が「大規模並列計算によるレール・車輪間の転がり接触解析手法の構築」の研究に着手したのは２０１０年。車輪とレールの間には高い衝撃力や高周波振動が発生する。しかし、車輪とレールの接触面で発生する現象を実験的に再現して評価するのは難しいため、シミュレーション技術が生かされることになった。

　鉄道総研ではまず、レールと車輪の接触面の力学現象をシミュレーションする計算手法を選定。車輪とレールのような連続体の構造解析は、１―２台の計算機では難しいことから、スーパーコンピューターによる大規模並列計算を適用した有限要素法を用いた。これにより、高い衝撃や高周波振動が発生するレールと車輪の接触面を評価するシミュレーターの開発を進めている。

　【スパコンで分担】
　シミュレーターの開発にあたり、車輪とレールの３次元精密モデルである「キャタピラメッシュ」を構築した。このキャタピラメッシュを用いて、車輪とレールの動的転がりの接触解析を実施。キャタピラメッシュを１０―２０の領域に分割して、一つひとつをスーパーコンピューターで分担して計算した。

　こうした計算をこつこつと積み重ねて、１４年７月に車輪１輪の解析を可能にした。１輪の解析が可能になったことで、スティックスリップと呼ばれる、走行の際に車輪の後方が滑る現象などもシミュレーションで再現した。車輪１輪の解析には、約１億の連立方程式をほぼ同時に解く大規模並列計算が必要になる。鉄道総研では、並行して計算を高速化するプログラムの開発などに取り組み、研究自体のスピードも上げている。

　今後は、１５年度中に２輪の解析を目指している。１６年度には、さらに４輪の解析を可能にする計画だ。４輪の解析ができれば、直線だけでなく曲線の走行を再現することができるようになり、解析の精度が高まる。ただ、鉄道旅客車両１両には、車輪が８輪ある。当面の目標は、８輪の解析ということになる。

　【５年後実用化】
　解析する車輪の数が増えれば、当然、連立方程式の数も増える。連立方程式は単純計算で、２輪なら２億、４輪なら４億、８輪なら８億が必要だ。これだけの連立方程式を同時に解くには、スーパーコンピューターの高度化が不可欠になる。

　鉄道総研は、１３年に総合処理能力がそれまでの約１０倍に相当する１１４・７テラフロップスのスーパーコンピューターを導入した。ただ、このスーパーコンピューターの性能では、８輪の解析は難しいのが現状だ。鉄道総研ではおおむね４年おきにスーパーコンピューターを更新している。スーパーコンピューターの更新を進めながら、解析できる車輪の数を増やしていく。

　８輪の解析ができるようになり、車輪とレールの動きが再現できるようになれば、レールの摩耗の研究などに生かすことができる。鉄道総研では５年後の実用化を目指し、研究開発を進めている。