JP2004090850A - Structure for rolling stock - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、中空形材で構成される鉄道車両用構体に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来より、図9に示すように、鉄道車両用構体100は、台枠101と、台枠101に溶接されて長手方向に対して左右の面を形成する側構体102と、側構体102に載せて溶接される屋根構体103と、車体長手方向に対して両端を閉鎖する面を形成する妻構体104とを有している。台枠101の車端寄には連結器109が固設され、他の鉄道車両用構体100とを連結可能になっている。
【0003】
鉄道車両用構体100には、乗員や積載する機器などの重量に基づく垂直荷重や、走行時の前後荷重などが作用し、それらの荷重に耐えうる所定の強度と剛性が必要とされる反面、走行速度の高速化に伴って軽量化が要求されている。そのため、近年の鉄道車両用構体100では、側構体102と屋根構体103に複数の中空形材105を周方向に溶接したものを使用することにより軽量化を図りながら構体の剛性と強度を確保している(例えば、特許文献1参照)。
【0004】
中空形材105は、図10に示すように、所定幅の外側面板106と内側面板107とを中板108で連結するよう押出成形で成形したものである。中空形材105を使用して中空構造の鉄道車両用構体100を構成する場合には、外側面板106と内側面板107とで形成される構体断面方向の厚さ(以下、「構体厚」という。)A、外側面板106の板厚B、内側面板107の板厚C、中板の配置及び板厚Dが設計パラメータとされている。
【0005】
鉄道車両用構体100は、図11に示すように、側構体102と屋根構体103の構体厚Aが一様の厚さに設定されている。側構体102と屋根構体103とが結合する構体肩部114は、最大応力が発生することが経験的に知られているので、側構体102と屋根構体103の構体厚Aより厚くされている(例えば、特許文献2参照)。こうして決定された構体厚分布の状態で、構体に負荷される荷重に対し、所定の強度及び剛性を確保するために、鉄道車両用構体100では、中板108を配置し、外側面板106の板厚B、内側面板107の板厚C及び中板108の板厚Dをそれぞれ変化させている(例えば、特許文献3参照)。
【0006】
【特許文献1】
特許第2784279号明細書(第3頁、第1図、第2図参照。)。
【特許文献2】
特許第2669535号明細書(第4頁、第5図参照。)。
【特許文献3】
特許第3069037号明細書(第4頁、第1図、第2図参照。)。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の鉄道車両用構体100は、垂直荷重や前後荷重に対しては外側面板106の板厚Bと内側面板107の板厚Cとを変化させることのみで対応しても、大きな重量増とはならないのに対し、気密荷重では、構体断面方向に力が加えられるので、外側面板106の板厚Bと内側面板107の板厚Cとを変えるだけでは、構体の剛性と強度の確保と軽量化とを十分に実現できない問題があった。
【0008】
つまり、鉄道車両用構体100は客室空間の気密性が確保されており、トンネルに突入する時に、客室内の気圧とトンネル内の空気圧との間に生ずる差圧により、構体断面周方向の力と構体の長手方向を回転軸とする曲げモーメントによる応力が、側構体102と屋根構体103の各部に発生し、構体断面方向に大きな変形が生じる。車両が使用される期間に負荷されるこの荷重の大きさと回数を精確に知ることは難しいが、これまでの計測等から強度基準として材料の耐力に安全率を乗じた値や疲労限の値を適用し、外側面板106の板厚B及び内側面板107の板厚Cを決定している。
【0009】
しかしながら、外側面板106の板厚Bと内側面板107の板厚Cとを変化させるだけでは、所定の強度及び剛性を確保しつつ、大幅な軽量化を図ることは困難であった。すなわち、構体断面周方向の力に対しては、外側面板106の板厚Bと内側面板107の板厚Cを変化させることで対応が可能であるが、構体の長手方向を回転軸とする曲げモーメントに対して外側面板106の板厚Bと内側面板107の板厚Cを変化させることだけで対応することは効率が悪く、重量増を招くことになっていた。
【0010】
そこで本発明は、かかる課題を解決すべく、構体の軽量化と高剛性化とを同時に実現できる鉄道車両用構体を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本願請求項1に記載する発明は、外側面板と内側面板とを中板で連結した中空形材を複数接続して側構体と屋根構体とを別々に製作して、台枠上に立設した側構体の上に屋根構体を載せて結合し、あるいは、側構体と屋根構体とを一体として製作し、台枠に載せて結合した鉄道車両用構体において、外側面板の断面方向位置により決定される車体外形線を一定とし、内側面板の断面方向位置を構体各部で発生する応力に基づいて変化させ、外側面板と内側面板とで形成される構体断面方向の厚さを応力の大きい部位では厚く、応力の小さい部位では薄くすることを特徴とする。
【0012】
すなわち、鉄道車両用構体は客室空間の気密性が確保されており、トンネルに突入する時に、客室内の気圧とトンネル内の気圧との間に生ずる差圧により、構体断面周方向の力と構体の長手方向を回転軸とする曲げモーメントとによる応力が、構体各部に発生する。鉄道車両用構体は、応力が大きい部位においては、内側面板を外側面板から離れる方向に成形することにより構体断面方向の厚さ(以下、「構体厚」という。)を厚くして変形を抑える一方、応力が小さい部位においては、内側面板を外側面板側に近づける方向に成形することにより構体厚を薄くしている。これにより、構体各部で必要な剛性と強度を確保することができる。従って、鉄道車両用構体は、側構体と屋根構体とを一様な構体厚にせず、応力に基づいて側構体と屋根構体の構体厚を構体各部で変化させることにより、構体の軽量化と高剛性化とを同時に実現することができる。
【0013】
また、請求項2に記載する発明は、請求項1に記載の発明において、屋根構体と側構体とを結合する構体肩部付近の構体断面方向の厚さが、側構体と屋根構体の全体を平均した構体断面方向の厚さよりも厚いことを特徴とする。
すなわち、鉄道車両用構体は、側構体が台枠に固定されているため、例えば、外向きの等分布荷重が作用したときに、屋根構体と側構体とが外側に膨らもうとするので、曲率の大きい構体肩部に大きな曲げモーメントが発生する。構体肩部付近は、構体厚が側構体と屋根構体の構体厚全体を平均した構体厚(以下、平均構体厚」という。)より厚く設定されているので、上記曲げモーメントに対する剛性と強度が十分確保されている。従って、鉄道車両用構体では、屋根構体の変形を抑えることができ、構体全体の変形量を小さくすることができる。
【0014】
また、請求項3に記載の発明は、請求項1又は請求項2に記載の発明において、構体肩部は、側構体及び屋根構体を構成する曲線よりも曲率の大きい曲線で側構体と屋根構体とを結合したものであって、側構体が台枠に固定される固定部を除いて、側構体と屋根構体の中で構体断面方向の厚さを最も厚くする部位を有し、構体断面方向の厚さを最も厚くする部位は、構体断面において屋根構体の中心位置又は構体の最大高さ位置から水平方向に第1直線を描き、構体の最大幅位置から垂直方向に第2直線を描き、第1直線と第2直線とが交差する点を第3点として規定し、外側面板によって形成される車体外形線のうち構体肩部を形成する曲線の中心点を第4点として規定し、第3点と第4点とを結んで第5直線を描き、第5直線が車体外形線と交差する点を第6点として規定したときに、第6点が位置する部位であることを特徴とする。
【0015】
また、請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の発明において、構体肩部は、内側面板によって形成される基準線である車体内形線が、第5直線上に規定した第7点を中心点とする曲線で形成されていることを特徴とする。
また、請求項5に記載の発明は、請求項3又は請求項4に記載の発明において、構体断面方向の厚さを最も厚くする部位では、構体断面方向の厚さが、側構体と屋根構体の全体を平均した構体断面方向の厚さの1.5〜1.6倍の厚さで形成されていることを特徴とする。
【0016】
鉄道車両用構体は、最大幅位置を通る垂直線と、最大高さ位置を通る水平線によって構成される門型の領域内に曲線を用いて車体外形線を決定し、側構体と屋根構体とを配置している。側構体と屋根構体とが結合する構体肩部は、一般的に曲率が大きいため、断面方向に曲げようとする大きな力が作用し、構体肩部付近の応力値が大きくなる。従って、車体外形線に基づいて、屋根構体の中心位置から水平方向に第1直線を描き、構体最大幅位置から垂直方向に第2直線を描くことによって門型を形成し、第1直線と第2直線とが交差する第3点に相当する位置を車体外形線上に何らかの方法で投影することができれば、鉄道車両用構体の中で応力値が高くなるおおよその部位を求めることができる。
【0017】
かかる観点より、第1直線と第2直線とが交差する点である第3点は、車体外形線のうち構体肩部を形成する曲線の中心点である第4点と第5直線で結ばれ、第5直線が車体外形線と公差する点である第6点が求められる。第6点は、第3点が車体外形線上に移動したものと考えられるため、第6点が位置する部位の構体厚を構体のうちで最も厚く形成すればよいことになる。こうした傾向は、車体外形線が異なる数種類の鉄道車両用構体の形状を最適化した場合にも認められ、側構体の固定部を除いて構体の中で最も構体厚を厚くする部位を車体外形線のみから導出することが可能であると考えられる。
【0018】
そして、第6点が位置する部位の構体厚を最も厚くするためには、第5直線上に規定した第7点を中心点とする曲線で構体肩部の車体内形線を形成することが、必要十分である。
第7点は、第6点が位置する部位の構体厚が、側構体と屋根構体の平均構体厚の1.5〜1.6倍となるように構体肩部の車体内形線を描くべく、第5直線上に規定される。ここで、第6点が位置する部位の構体厚を平均構体厚の1.5〜1.6倍にしたのは、平均構体厚の1.5倍未満にすると構体の剛性が不足する一方、平均構体厚の1.6倍より大きくすると、剛性が過剰になるとともに客室空間を不必要に狭めることになるからである。
【0019】
従って、鉄道車両用構体は、側構体の固定部を除いて、構体の中で最も構体厚を厚くする部位や形状などを車体外形線から簡単に決定することができる。また、このようにして決定した構体厚分布を基に中空構造を構成し、面板を配置すれば、面板板厚を極度に増す必要がなくなるので、構体の軽量化を実現できるとともに、構体各部の剛性を最適なものとすることができる。
【0020】
また、請求項6に記載する発明は、請求項1乃至請求項5の何れか1つに記載の発明において、屋根構体の構体幅方向の中心位置における構体断面方向の厚さが、側構体と屋根構体の全体を平均した構体断面方向の厚さより厚いことを特徴とする。
すなわち、屋根構体は、例えば気密荷重を受けたときに、構体幅方向の中心位置が上下方向に変形しようとするが、屋根構体における構体幅方向の中心位置が平均構体厚より厚く形成されて構体の剛性が高められているため、屋根構体の変形が抑えられ、構体全体の変形量を小さくすることができる。
【0021】
また、請求項7に記載の発明は、請求項1乃至請求項6の何れか1つに記載の発明において、屋根構体の構体幅方向の中心位置における構体断面方向の厚さが、側構体と屋根構体の全体を平均した構体断面方向の厚さの1.1〜1.2倍の厚さであることを特徴とする。
すなわち、屋根構体は、中心位置の構体厚が平均構体厚の1.1〜1.2倍になるように、中心位置の車体内形線を形成する。このように屋根構体の中心位置の構体厚を平均構体厚の1.1〜1.2倍にするのは、平均構体厚の1.1倍未満にすると、構体の剛性が不足する一方、平均構体厚の1.2倍より大きくすると、剛性が過剰になるとともに客室空間を不必要に狭めることになるからである。従って、鉄道車両用構体は、屋根構体中央における剛性を適正なものとすることができる。
【0022】
また、請求項8に記載の発明は、請求項1乃至請求項7の何れか1つに記載の発明において、屋根構体の中心位置と構体肩部との間に構体断面の中で構体断面方向の厚さが最も薄い部位を設けたことを特徴とする。
すなわち、この部位では、曲げモーメントがゼロ又は非常に小さいため、構体厚を薄くしても構体の変形が増加しない。構体を薄くすることで、軽量化とともに、客室空間を僅かでも広くすることが可能となる。
【0023】
また、請求項9に記載の発明は、請求項8に記載の発明において、構体肩部の構体断面方向の厚さが最も厚い部位と、屋根構体の中心位置と構体肩部との間に設けた構体断面方向の厚さが最も薄い部位と、屋根構体の中心位置とをなめらかに結んで車体内形線を形成することを特徴とする。
すなわち、側構体と屋根構体における構体厚の変化率が小さいため、構体の変形も滑らかになり、構体各部に生ずる応力を従来のものより均一なものに近づけることができると共に応力値及び変形量を小さくすることができる。
【0024】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の鉄道車両用構体に係る実施の形態について図面を参照しながら説明する。図1は、鉄道車両用構体10の側構体2と屋根構体3の断面図である。
本実施の形態の鉄道車両用構体10は、図9に示す従来技術のものと同様、側構体2と屋根構体3がアルミニウム合金製の中空形材5を周方向に複数溶接して構成されたものであるが、図1に示すように、側構体2と屋根構体3の構体断面方向の厚さ、すなわち構体厚A(図10参照)を構体各部で生じる応力に基づいて変化させている点で、側構体102と屋根構体103を一様の構体厚Aにする従来のものと相違している。
【0025】
図2は、鉄道車両用構体の形状を最適化する際に使用されるコンピュータ30のブロック図である。
鉄道車両用構体10は、初期形状の鉄道車両用構体をコンピュータ30を用いて最適化されている。コンピュータ30は、種々の演算や制御等を行うCPU31に入出力装置32や記憶装置33などが接続されている。入出力装置32は、データ等を入力したり、演算結果などを出力するものである。また、記憶装置33は、入出力装置32から入力された情報、CPUが演算した演算結果、鉄道車両用構体の形状を最適化するためのプログラムなどを記憶するものである。
【0026】
鉄道車両用構体の形状を最適化するためのプログラムは、鉄道車両用構体の初期形状(初期値として与えられる構体厚Aなど)と当該領域に与えられた境界条件(負荷荷重、拘束条件など)によって発生するひずみ、応力に関し、連続体力学における平均コンプライアンス(Φ)と呼ばれる次式の数1を考え、平均コンプライアンスが与えられた制約条件(体積、部分的な構体厚Aの固定、構体厚Aの最小値など)のもとで最小化された状態を最適であるとしている。εはひずみ、Dは応力−ひずみの関係式、Ωは検討対象の領域である。
【0027】
【数1】
【0028】
こうした平均コンプライアンスの最小化に関しては、例えば、日本機械学会論文集(A編)60巻578号(1994−10)第144〜150頁に掲載する「線形弾性問題における領域最適化解析」に詳細に記載されている。その概要は以下の通りである。
「線形弾性問題における領域最適化解析」は、線形弾性体の領域形状を設計変数にした領域最適化問題を連続体のままで定式化しておいて、分布系の最適化理論を適用することによって導出される領域変動の支配方程式を基礎にして領域最適化問題にアプローチしている。数値解析法は、支配方程式を解くための方法として定式化され、その1つの方法として力法が提案されている。力法は、領域変動の支配方程式を線形弾性問題の境界値問題に置き換えて解くために、有限要素法などを利用することができる。また、支配方程式に現れる形状勾配関数も有限要素法などを利用して解析することができる。そこで、「線形弾性問題における領域最適化解析」は、平均コンプライアンスの最小化問題を定式化し、それに対する最適性基準と最適化基準に基づいて算出される形状勾配関数を明らかにした上で、形状勾配関数を用いた力法を線形弾性体の領域問題に適用している。
【0029】
鉄道車両用構体の形状を最適化するプログラムは、上記「線形弾性問題における領域最適化解析」を適用したものであり、初期形状の鉄道車両用構体を有限な要素に分割し、形状勾配関数の演算結果が収束するまで、つまり、数1に示す平均コンプライアンスが最小になるまで初期形状の鉄道車両用構体の形状を変化させることにより、鉄道車両用構体の形状を最適化している。図3は、鉄道車両用構体の形状を最適化するプログラムのフローチャートである。図4は、鉄道車両用構体の一部を有限要素に分割した概念図である。
【0030】
コンピュータ30のCPU31は、記憶手段33から鉄道車両用構体の形状を最適化するプログラムを読み出し、図3のステップ1(以下、「S1」いう。)において、初期形状解析モデル(有限要素法)を入出力装置32に入力する。
【0031】
次に、図3のS2において強度解析を行う。強度解析は、コンピュータ30のCPU31が初期形状解析モデルを読み出し、それに基づいて変位量と発生応力を算出して行う。
【0032】
次に、S3において、感度解析を行う。感度解析では、数2に示す形状勾配関数Gを演算する。
【0033】
【数2】
【0034】
この数2に示す形状勾配関数Gは、図4に示す各要素Eの境界面上に分布する法線方向を向いたベクトル関数である。ここで、式に現れる変数の値は、S2の強度解析の解析結果から得られるものであり、fは物体力、eは弾性テンソル、uは変位、ΛはLagrange定数である。
【0035】
そして、図3のS4において、収束判定を行う。収束判定は、感度解析を実行して得られた感度が十分小さいか否かで判断される。感度が十分小さいと判断した場合には(S4:YES)、処理を終了する。一方、感度が十分小さくないと判断した場合には(S4:NO)、S5へ進み、形状変更における制約条件が入力されているか否かを判断する。制約条件が入力されていると判断した場合(S5:YES)には、そのままS7へ進む。
【0036】
一方、制約条件が入力されていないと判断した場合(S5:NO)には、S6において、制約条件として形状の変更を許さない点、移動方向の制約、体積(三次元の問題)又は面積(二次元の問題)を入出力装置32から入力して記憶装置33に記憶させてから、S7へ進む。そして、S7において、初期形状の鉄道車両用構体の形状を変更したら、S3以降の処理を再度繰り返す。
【0037】
こうした鉄道車両用構体の形状を最適化するプログラムは、以下のように動作する。
コンピュータ30の入出力装置32に初期形状解析モデルを入力する(図3のS1)。具体的には、例えば、図4に示すように、初期形状の鉄道車両用構体全体を有限な要素Eに分割し、各要素Eの節点●に座標データを付け、例えば、4個の節点●(i〜l)を一組にする旨の有限要素法の要素情報を入力する。また、例えば、構体厚Aの初期値を50mmに設定し、鉄道車両用構体の材料特性としてアルミニウム合金のヤング率とポアソン比を入力する。また、例えば、強度解析などを行う際に利用される境界条件として拘束条件と荷重条件を入力する。拘束条件としては、台枠側梁に相当する側構体の固定部を固定すること、及び、鉄道車両用構体の構体幅方向の中心線に対称条件を加えることを入力する。ここで、対称条件を加えるのは、演算量を減らして、演算時間を短縮するためである。また、荷重条件としては、気密荷重を想定して外向きに等分布荷重を与えることを入力する。
【0038】
そして、初期形状解析モデルのアルミニウム合金のヤング率・ポアソン比などに基づいて強度解析を行ったら、初期形状解析モデルと強度解析結果とに基づいて形状勾配関数Gを求める(図3のS2、S3)。収束判定において感度が十分に小さくない場合、すなわち、形状勾配関数Gが急激な勾配を有する場合には、制約条件が入力されているか否かを判断し、制約条件が入力されていない場合には、制約条件を入力してから形状を変更する(図3のS4:NO、S5:NO、S6、S7)。
【0039】
具体的には、収束判定において感度が十分に小さくなっておらず、制約条件が入力されていない場合には、例えば、中空形材5の外側面板6(図10参照)から40mmの厚さに位置する節点●の移動を許さないこと、各要素Eの節点(図4参照)をx方向のみに(一次元的に)移動させること、外側面板6と内側面板7で囲まれる面積を初期形状と同一にすることなどといった制約条件を入力する(図3のS4:NO、S5:NO、S6)。ここで、中空形材5の外側面板6(図10参照)から40mmの厚さを固定するのは、構体各部において最低限の剛性及び強度を確保するために、構体厚Aが40mm以下になることを回避するためである。また、各要素Eの節点(図4参照)をx方向のみに(一次元的に)移動させるのは、各要素Eを構体断面方向に伸縮させるためである。
【0040】
そして、入力した制約条件と形状勾配関数Gの演算結果に基づいて初期形状の鉄道車両用構体の形状を変更する(図3のS7)。具体的には、例えば、形状勾配関数Gが局部的に大きい場合は、その形状勾配関数Gが大きい部分について、側構体及び屋根構体の外側から40mmの節点●を移動させないことや、節点●の移動方向をx方向に限定することなどの制約条件に基づいて、側構体及び屋根構体の内側から10mm以内の部分における要素Eの節点●を内向きに移動させ、要素Eの大きさを大きくする。また、外側面板6と内側面板7との間の面積が一定である制約条件があるので、形状勾配関数Gが小さい部分について、側構体及び屋根構体の内側から10mm以内の部分における要素Eの節点●を外向きに移動させ、要素Eの大きさを小さくする。こうして移動させた節点●の座標データを書き換える。これにより、節点●が内側に移動したところでは構体厚Aが厚くなり、節点●が外側に移動したところでは構体厚Aが薄くなるため、鉄道車両用構体の形状が変更される。鉄道車両用構体の形状を変更したら、S3以降の処理を再度繰り返す。これら一連の処理は、収束判定において感度が十分小さいと判断されるまで自動的に行われる。
【0041】
そして、収束判定において感度がこれ以上小さくならないと判断された場合、すなわち、形状勾配関数Gの値が前回計算より小さくならない場合には、処理を終了し(図3のS4:YES)、図1に示すように最適化された鉄道車両用構体10を入出力装置32に出力する。
【0042】
図1の鉄道車両用構体10は、側構体2と屋根構体3の構体厚Aが構体各部で変化している。側構体2と屋根構体3が結合する部分(以下、「構体肩部」という。)14の構体厚W1は、側構体2を台枠4に固定するための固定部2aを除いて、構体のうちで最も厚く形成されている。そして、側構体2では、中央付近の構体厚W4が薄く形成されている。また、屋根構体3では、構体幅方向の中心位置3aにおける構体厚W2が厚く形成され、構体中心部3aと構体肩部14との間の構体厚W3が薄く形成されている。
【0043】
そして、発明者は、車体外形線Mの異なる数種類の鉄道車両用構体について上記プログラムを実行して形状を最適化したところ、車両デザインすなわち車体外形線Mに基づいて車体内形線N1を決定することにより鉄道車両用構体の形状を最適化できることを確認した。
【0044】
鉄道車両用構体10は、最大幅位置を通る垂直線と、最大高さ位置を通る水平線によって構成される門型の領域内に曲線を用いて車体外形線Mを決定し、側構体2と屋根構体3を配置している。構体肩部14は、一般的に曲率が大きくなるため、断面方向に曲げようとする大きな力を受け、応力値が大きくなる。従って、車体外形線Mに基づいて、屋根構体3の中心位置3aから水平方向に第1直線L1を描き、構体最大幅位置から垂直方向に第2直線L2を描くことによって門型を形成し、第1直線L1と第2直線L2とが交差する第3点P3に相当する位置を車体外形線M上に何らかの方法で投影することができれば、鉄道車両用構体10の中で最も応力値が高くなるおおよその部位を求めることができる。
【0045】
かかる観点より、第1直線L1と第2直線L2とが公差する第3点P3は、車体外形線Mのうち構体肩部14を形成する曲線の中心点である第4点P4と第5直線L5で結ばれ、第5直線L5が車体外形線Mと公差する点である第6点P6が求められる。この第6点P6は、第3点P3が車体外形線M上に投影されたものと考えられるため、鉄道車両構体10は、固定部2aを除いて、第6点が位置する部位の構体厚W1を構体のうちで最も厚くすればよいことになる。
【0046】
そして、第6点P6が位置する部位の構体厚W1を最も厚くするためには、第5直線L5上に規定した第7点P7を中心点とする半径r2の曲線で構体肩部14の車体内形線N1を形成することが、必要十分である。
半径r2は、構体肩部14における車体外形線Mの半径r1を1.1倍した値から80mmを差し引くことにより、簡単に決定することができる。ここで、関係式の係数を1.1としたのは、構体肩部14の構体厚分布を最適なものとするためである。すなわち、係数を1.1より大きくすると、最大構体厚W1となる部位以外の構体肩部14の構体厚Aが不足し、剛性不足になる一方、係数を1.1より小さくすると、最大構体厚W1となる部位の剛性が、最大構体厚W1となる部位以外の構体肩部14と比べて剛性不足となるからである。また、関係式の80mmは、構体厚Aを調整するための調整項であり、調整項を80mmにした理由は、上記関係式の係数選択における理由と全く同じである。すなわち、調整項を80mmより大きくすると、最大構体厚W1となる部位以外の構体肩部14の構体厚Aが不足し、剛性不足になる一方、調整項を80mmより小さくすると、最大構体厚W1となる部位の剛性が、最大構体厚W1となる部位以外の構体肩部14と比べて剛性不足となるからである。
【0047】
第7点P7は、構体厚W1が側構体2と屋根構体3の構体厚A全体を平均した平均構体厚の1.5〜1.6倍になるように半径r2の曲線を描くべく、第5直線L5上に規定される。ここで、構体厚W1を平均構体厚の1.5〜1.6倍にしたのは、平均構体厚の1.5倍未満にすると、構体の剛性が不足する一方、平均構体厚の1.6倍より大きくすると、剛性が過剰になるとともに客室空間を不必要に狭めることになるからである。
【0048】
本実施の形態では、構体肩部14の車体外形線Mに係る半径r1は400mmであり、これを半径r2を算出する関係式(半径r2(mm)=半径r1(mm)×1.1倍−80(mm))にあてはめると、半径r2は360mmになる。本実施の形態の平均構体厚は52.8mmであるから、構体肩部14の構体厚W1が平均構体厚の1.5〜1.6倍すなわち79.20〜84.48mmになるように第7点P7を第5直線L5上に規定し、半径r2(360mm)の曲線を描いて構体肩部14の形状を決定する。本実施の形態では、構体肩部14の構体厚W1が平均構体厚の1.54倍である81.05mmになるように第7点P7を規定している。
【0049】
また、側構体2は、鉄道車両用構体10の最大幅位置を含む範囲R2で構体厚W4を薄くする。すなわち、側構体2の下端部から構体厚W1が位置する構体肩部14までの距離に対して下端部からおおよそ7分の3〜7分の5の範囲R2における構体厚W4を構体のうちで最も薄くする。当該部位を薄くできるのは、気密荷重によって側構体2を変形させようとする力と、屋根構体3が変形しようとする時に側構体2に伝えられる力とが互いに逆向きであるために打ち消し合うことになるためであると推定される。
本実施の形態では、構体厚W4が40mmになるように、最大幅位置を含む一定の範囲R2における車体内形線N1を形成している。
【0050】
一方、屋根構体3は、中心位置3aの構体厚W2を厚く、中心位置3aと構体厚W1が位置する構体肩部14との間の構体厚W3を薄くする。すなわち、屋根構体3は、中心位置3aの構体厚W2が平均構体厚の1.1〜1.2倍になるように中心位置3aの車体内形線N1を形成する。このように構体厚W2を平均構体厚の1.1〜1.2倍にするのは、平均構体厚の1.1倍未満にすると、構体の剛性が不足する一方、平均構体厚の1.2倍より大きくすると、剛性が過剰になるとともに客室空間を不必要に狭めることになるからである。
本実施の形態では、平均構体厚が52.8mmであるから、屋根構体3の中心位置3aの構体厚W2を58.0〜63.3mmにすることが望ましい。よって、本実施の形態では、屋根構体3の中心位置3aの構体厚W2が平均構体厚の1.16倍である61mmになるように、中心位置3aの車体内形線N1を決定している。
【0051】
また、屋根構体3は、構体厚W2が位置する中心位置3aから構体厚W1が位置する構体肩部14までの距離に対して中心位置3aからおおよそ3分の1〜2分の1の範囲R1における構体厚W3を構体のうちで最も薄くする。このように構体厚W3を設ける位置に一定の範囲R1を設けるのは、屋根構体3の中心位置3aで発生する曲げモーメントと構体肩部14で発生する曲げモーメントの方向が逆向きであり、屋根構体3のうち曲げモーメントがゼロとなる位置を中心として構体厚W3を配置するのであるが、この位置は、車体外形線Mによって変動するためである。当該位置の構体厚W3を最も薄くするのは、前述の通り、曲げモーメントがゼロ又は非常に小さいために曲げ剛性を大きくする必要がないからである。
本実施の形態では、構体厚W2が位置する中心位置3aから構体厚W1が位置する構体肩部14までの距離に対して屋根構体3の中心位置3aから2分の1程度の部位3bにおける構体厚W3が40mmになるように、屋根構体3の部位3bにおける車体内形線N1を決定している。
【0052】
こうして、側構体2と屋根構体3において構体厚Aを厚くする部位と薄くする部位とを決定したら、隣り合う部位同士をなめらかに結んで鉄道車両用構体10全体の車体内形線N1を形成する。これにより、鉄道車両用構体の形状を短時間で最適化することが可能になる。
【0053】
続いて、鉄道車両用構体10の作用について説明する。
鉄道車両用構体10は、例えば、トンネルに突入したときに、トンネル内の空気圧と鉄道車両用構体10の客室空間内の気圧との間に生じる差圧により、構体断面方向の力と構体長手方向を回転軸とする曲げモーメントとによる応力が構体各部に発生する。特に、側構体2と屋根構体3とが連結する構体肩部14と、屋根構体3の中心位置3aでは、応力が大きくなりやすい。
【0054】
鉄道車両用構体10は、構体肩部14の構体厚W1を側構体2の固定部2aを除いた構体のうちで最も厚くすることにより構体の剛性と強度を高めており、これによって、屋根構体3と側構体2の変形を抑えることができる。また、屋根構体3は、例えば、気密荷重を受けた時に、構体幅方向の中心位置3aが大きく上下方向に変形しようとするが、構体幅方向の中心位置3aにおいて構体厚W2を平均構体厚より厚くして屋根構体3の剛性と強度を高めているので、屋根構体3の中心位置3aにおける変形が抑えられる。また、結果として、その他の屋根構体3の変形量も抑えることができる。
【0055】
こうした鉄道車両用構体10は、構体各部に発生する応力の大きさに対応して構体厚Aが分布しているため、応力分布を従来のものより均一なものに近づけることが可能であり、変形も滑らかである。
【0056】
上記構成と作用を有する図1に示す鉄道車両用構体10の形状を図11に示す鉄道車両用構体100の形状と比較すると、以下の共通点と相違点が認められる。
図1の鉄道車両用構体10と図11の鉄道車両用構体100とは、車体外形線Mが同一で、構体肩部14,114の構体厚W1,W5を厚くしている点で共通する。
【0057】
しかし、図1の鉄道車両用構体10と図11の鉄道車両用構体100とは、形状の決定方法が本質的に相違している。すなわち、図11の鉄道車両用構体100は、一様の構体厚Aで形成された側構体102と屋根構体103とをフィレットを生成する形で構体肩部114の車体内形線N2を形成している。そのため、構体肩部114の車体内形線N2は、曲線で形成されているものの、曲線の中心点である第8点P8が、構体の最大高さ位置から水平に描いた第1直線L1と、構体の最大幅位置から垂直に描いた第2直線L2とが公差する第3点P3を、車体外形線Mのうち構体肩部114を形成する曲線の中心点である第4点P4と結ぶ第5直線L5上に位置していない。よって、図11の鉄道車両用構体100は、形状の決定方法の相違により、図1の鉄道車両用構体10と形状が僅かに異なっている。
【0058】
こうした形状の僅かな相違は、図1の鉄道車両用構体10と図11の鉄道車両用構体100の変位や応力に大きな影響を及ぼしている。図5は、従来の鉄道車両用構体100の変位図である。図6は、最適化された鉄道車両用構体10の変位図である。
この変位に係る解析では、鉄道車両用構体10,100に対して外向きに0.001kPaの等分布荷重を与えている。
【0059】
この解析の結果、図11の鉄道車両用構体100と図1の鉄道車両用構体10は、図5及び図6に示すように外向きに膨らむように変形するが、最大変位量が異なる。図11の鉄道車両用構体100は、図5に示すように、屋根構体103の中心位置103aにおける最大変位量が約2.14mmであるのに対して、図1の鉄道車両用構体10は、図6に示すように、屋根構体3の中心位置3aの変位量が約1.48mmであり、図1の鉄道車両用構体10の最大変位量が図11の鉄道車両用構体100の最大変位量の約70%程度である。これは、図1に示す鉄道車両用構体10は、構体厚Aを構体各部で変化させたことにより、構体肩部14と屋根構体3の中心位置3aの変形を図11の鉄道車両用構体100より効率的に抑えることができることを示している。
【0060】
また、図7は、従来の鉄道車両用構体100の側構体102と屋根構体103の最大応力を示す応力図であり、図8は、最適化された鉄道車両用構体10の側構体2と屋根構体3の最大応力を示す応力図である。
この応力に係る解析では、鉄道車両用構体10,100の外側に0.001kPaの等分布荷重を与えている。
【0061】
この解析の結果、図11の鉄道車両用構体100は、図7に示すように、構体各部で発生する応力値がまだらである。そして、屋根構体103の中心位置103aと、構体肩部114の構体厚W5が位置する部位から側構体102側にずれた部位では、車体内形線N2と車体外形線M付近において応力が大きくなっており、特に、構体厚W5が位置する部位から側構体102側にずれた部位の車体内形線N2付近Z1では、最大応力値81.634MPaを示している。
【0062】
それに対して、図1の鉄道車両用構体10では、図8に示すように、構体内部で発生する応力値が構体各部でより均一に近くなっている。そして、屋根構体3の中心位置3aと構体肩部14では、車体外形線Mと車体内形線N1付近において応力が大きくなっており、特に、構体肩部14の構体厚W1が位置する部位の車体内形線N1付近Z2では、最大応力値45.962MPaを示している。
【0063】
よって、図1に示す鉄道車両用構体10は、最大応力が発生する部位Z2と構体厚W1が位置する部位とが一致する一方、図11の鉄道車両用構体100は、最大応力が発生する部位Z1と構体厚W5が位置する部位とがずれている。また、図1に示す鉄道車両用構体10の最大応力値は、図11に示す鉄道車両用構体100の最大応力値の約55%程度に減少している。これは、図1に示す鉄道車両用構体10において構体厚W1を設けた部位と構体肩部14の形状が、図11鉄道車両用構体100より適切であることを示している。
また、図1の鉄道車両用構体10は、側構体2の一定の範囲R2における構体厚W4と屋根構体3の部位3bにおける構体厚W3が、図11の鉄道車両用構体100の側構体102と屋根構体103の構体厚Aより薄いにもかかわらず、図11の鉄道車両用構体100と同程度の応力を維持している。これは、図1の鉄道車両用構体10は、応力が小さい部位の構体厚W3,W4を薄くしたことにより側構体2と屋根構体3をしなやかに変形させ、構体各部に応力を分散させていることを示している。
【0064】
以上詳細に説明したように、本実施の形態の鉄道車両用構体10によれば、外側面板6と内側面板7とを中板8で連結した中空形材5を複数接続して側構体2と屋根構体3とを別々に製作して、台枠4上に立設した側構体2の上に屋根構体3を載せて結合し、あるいは、側構体2と屋根構体3とを一体として製作し、台枠4に載せて結合したものであって(図9及び図10参照)、車体外形線Mを一定とし、内側面板7の断面法線方向位置を構体各部で発生する応力に基づいて変化させ、応力が大きい位置では構体厚Aを厚く、応力が小さい位置では構体厚Aを薄くしているので、(図1参照)、構体の軽量化と高剛性化とを同時に実現することができる。
【0065】
また、本実施の形態の鉄道車両用構体10によれば、モーメントによる応力が大きくなる構体肩部14と屋根構体3の中心位置3aとを平均構体厚より厚くしたので(図1参照)、側構体2と屋根構体3の変形を抑えるとともに、構体全体においても変形量を小さくすることができる。
【0066】
また、本実施の形態の鉄道車両用構体10によれば、構体肩部14は側構体2と屋根構体3とを側構体2および屋根構体3を構成する曲線よりも曲率の大きい曲線で結合したものであって、側構体2が台枠4に固定される固定部2aを除いて、側構体2と屋根構体3の中で構体厚Aを最も厚くする部位を有し、構体厚Aを最も厚くする部位は、屋根構体3の中心位置3aから水平方向に第1直線L1を描き、側構体2の最大幅位置から垂直方向に第2直線L2を描き、第1直線L1と第2直線L2とが交差する点を第3点P3として規定し、外側面板6によって形成される車体外形線Mのうち構体肩部14を形成する曲線の中心点を第4点P4として規定し、第3点P3と第4点P4とを結んで第5直線L5を描き、第5直線L5が車体外形線Mと交差する点を第6点P6として規定したときに、その第6点P6が位置する部位であるので(図1参照)、側構体2の固定部2aを除いて構体厚Aを最も厚くする部位を車体外形線Mから簡単に求めることができる。
そして、構体肩部14を形成する車体内形線N1は、第5直線L5上に第7点P7を設け、車体外形線Mの半径r1に基づいて決定される半径r2の曲線であるので(図1参照)、構体肩部14の形状を簡単に決定することができる。
【0067】
また、本実施の形態の鉄道車両用構体10によれば、構体肩部14の構体厚W1を平均構体厚の1.5〜1.6倍の厚さにするとともに(図1参照)、屋根構体3の中央位置における構体厚W2を平均構体厚の1.1〜1.2倍の厚さにすることで(図1参照)、構体の剛性を適正なものとしている。
【0068】
また、本実施の形態の鉄道車両用構体10によれば、屋根構体3の中心位置3aと構体肩部14との間に構体断面の中で構体厚W3が最も薄い部位3bを設けたので(図1参照)、軽量化とともに、客室空間を僅かでも広くすることにも貢献できる。
【0069】
さらに、本実施の形態の鉄道車両用構体10によれば、構体肩部14の構体厚W1が位置する部位、屋根構体3の中心位置3aと構体肩部14との間に設けた構体厚W3が位置する部位3b、屋根構体3の中心位置3aなどをなめらかに結んで車体内形線N1を形成しているので(図1参照)、構体各部に応力を分散させて(図8参照)、図11に示す従来の鉄道車両用構体100より構体全体の変位量を小さくすることができる(図6参照)。
【0070】
なお、本発明は、実施形態のものに限定されるわけではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能であることはいうまでもない。
【0071】
【発明の効果】
従って、本発明の鉄道車両用構体は、外側面板と内側面板とを中板で連結した中空形材を複数接続して側構体と屋根構体とを別々に製作して、台枠上に立設した側構体の上に屋根構体を載せて結合し、あるいは、側構体と屋根構体とを一体として製作し、台枠に載せて結合したものにおいて、外側面板の断面方向位置により決定される車体外形線を一定とし、内側面板の断面方向位置を構体各部で発生する応力に基づいて変化させ、外側面板と内側面板とで形成される構体断面方向の厚さを応力の大きい部位では厚く、応力の小さい部位では薄くしているので、構体の軽量化と高剛性化とを同時に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】発明の実施の形態において、鉄道車両用構体の側構体と屋根構体の断面図である。
【図2】同じく、鉄道車両用構体の形状を最適化する際に使用されるコンピュータのブロック図である。
【図3】同じく、鉄道車両用構体の形状を最適化するプログラムのフローチャートである。
【図4】同じく、鉄道車両用構体の一部を有限要素に分割した概念図である。
【図5】同じく、従来の鉄道車両用構体の側構体と屋根構体の変位図である。
【図6】同じく、最適化された鉄道車両用構体の側構体と屋根構体の変位図である。
【図7】同じく、従来の鉄道車両用構体の側構体と屋根構体の最大応力を示す応力図である。
【図8】同じく、最適化された鉄道車両用構体の側構体と屋根構体の最大応力を示す応力図である。
【図9】鉄道車両用構体の外観斜視図である。
【図10】中空形材の拡大断面図である。
【図11】同じく、従来の鉄道車両用構体の側構体と屋根構体の断面図である。
【符号の説明】
2 側構体
2a 固定部
3 屋根構体
3a 中心位置
3b 部位
4 台枠
5 中空形材
6 外側面板
7 内側面板
8 中板
10 鉄道車両用構体
14 構体肩部
A 構体厚
W1 構体厚
W2 構体厚
W3 構体厚
W4 構体厚
M 車体外形線
N1 車体内形線[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a railway vehicle structure formed of a hollow profile.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as shown in FIG. 9, a
[0003]
On the
[0004]
As shown in FIG. 10, the
[0005]
As shown in FIG. 11, in the
[0006]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 2784279 (see
[Patent Document 2]
Japanese Patent No. 2669535 (see
[Patent Document 3]
Japanese Patent No. 3069037 (see
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, the
[0008]
In other words, the
[0009]
However, it has been difficult to achieve a significant reduction in weight while securing predetermined strength and rigidity only by changing the thickness B of the
[0010]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a railway vehicle structure capable of simultaneously realizing a lighter structure and a higher rigidity of the structure in order to solve such a problem.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the invention described in
[0012]
In other words, the railcar structure has air-tightness in the cabin space, and when entering the tunnel, the differential pressure generated between the air pressure in the cabin and the air pressure in the tunnel causes the force in the circumferential direction of the cross-section of the structure to increase. A stress due to a bending moment having the longitudinal direction as a rotation axis is generated in each part of the structure. In a railway vehicle structure, in a portion where stress is large, the inner surface plate is formed in a direction away from the outer surface plate to increase the thickness in the structure cross-sectional direction (hereinafter, referred to as “structure thickness”) while suppressing deformation. On the other hand, in a portion where the stress is small, the thickness of the structure is reduced by forming the inner side plate closer to the outer side plate. Thereby, the required rigidity and strength can be secured in each part of the structure. Therefore, in the railway vehicle structure, the side structure and the roof structure are not made to have a uniform structure thickness, and the structure thickness of the side structure and the roof structure is changed at each part of the structure based on the stress, so that the structure is reduced in weight and height. Rigidity can be realized at the same time.
[0013]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the thickness in the cross-sectional direction of the structure near the shoulder of the structure connecting the roof structure and the side structure is equal to the entirety of the side structure and the roof structure. It is characterized in that it is thicker than the average thickness in the sectional direction of the structure.
That is, since the side structure is fixed to the underframe, the roof structure and the side structure try to expand outward, for example, when an outward uniformly distributed load is applied, A large bending moment is generated at the shoulder of the structure having a large curvature. In the vicinity of the structure shoulder, the structure thickness is set to be larger than the structure thickness obtained by averaging the entire structure thickness of the side structure and the roof structure (hereinafter referred to as “average structure thickness”). Is secured. Therefore, in the railway vehicle structure, the deformation of the roof structure can be suppressed, and the amount of deformation of the entire structure can be reduced.
[0014]
According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, the structural body shoulder is a curve having a larger curvature than a curve constituting the side structural body and the roof structural body. Having a portion where the thickness of the side structure and the roof structure in the cross-sectional direction is the largest in the side structure and the roof structure, excluding a fixing portion where the side structure is fixed to the underframe; In the section where the thickness of the structure is to be the largest, a first straight line is drawn horizontally from the center position of the roof structure or the maximum height position of the structure in the structure cross section, and a second straight line is drawn vertically from the maximum width position of the structure, A point at which the first straight line intersects with the second straight line is defined as a third point, and a center point of a curve forming a structural shoulder in a body outline formed by the outer face plate is defined as a fourth point. Draw a fifth straight line by connecting the three points and the fourth point, and the fifth straight line is The point of intersection when defined as a 6-point and, wherein the
[0015]
According to a fourth aspect of the present invention, in the third aspect of the present invention, the structural body shoulder has a seventh shape in which a vehicle body internal shape line, which is a reference line formed by the inner side surface plate, is defined on a fifth straight line. It is characterized by being formed by a curve centered on a point.
According to a fifth aspect of the present invention, in the third aspect or the fourth aspect of the present invention, at the portion where the thickness in the structural section direction is the largest, the thickness in the structural section direction is the side structure and the roof structure. Are formed in a thickness of 1.5 to 1.6 times the average thickness of the entire structure in the sectional direction of the structure.
[0016]
The railway vehicle structure determines the vehicle body outline using a curve in a gate-shaped area formed by a vertical line passing through the maximum width position and a horizontal line passing through the maximum height position, and the side structure and the roof structure Are placed. Since the shoulder of the structure where the side structure and the roof structure are coupled generally has a large curvature, a large force acting to bend in the cross-sectional direction acts, and the stress value near the shoulder of the structure increases. Therefore, based on the vehicle body outline, a first straight line is drawn in the horizontal direction from the center position of the roof structure, and a second straight line is drawn in the vertical direction from the maximum width position of the roof structure to form a gate shape. If a position corresponding to the third point where the two straight lines intersect can be projected on the vehicle body outline by any method, it is possible to obtain an approximate part where the stress value becomes high in the railway vehicle structure.
[0017]
From this point of view, the third point, which is the point where the first straight line and the second straight line intersect, is connected to the fourth point, which is the center point of the curve forming the shoulder of the structural body, by the fifth straight line. The sixth point, which is the point at which the fifth straight line makes a tolerance with the vehicle body outline, is determined. Since the sixth point is considered to have moved on the vehicle body outline, the structure thickness of the portion where the sixth point is located should be formed to be the thickest among the structures. This tendency is also observed when the shapes of several types of railway vehicle structures with different body outlines are optimized, and the part where the body thickness is the thickest in the body, except for the fixed part of the side structure, is defined as the body outline. It is thought that it is possible to derive from only.
[0018]
In order to maximize the thickness of the structure at the position where the sixth point is located, the in-vehicle shape line of the structure shoulder is formed by a curve centered on the seventh point defined on the fifth straight line. It is necessary and sufficient.
The seventh point is to draw an in-vehicle shape line of the shoulder of the structure so that the structure thickness of the portion where the sixth point is located is 1.5 to 1.6 times the average structure thickness of the side structure and the roof structure. , On the fifth straight line. Here, the reason why the structure thickness at the portion where the sixth point is located is set to 1.5 to 1.6 times the average structure thickness is that if the average structure thickness is less than 1.5 times, the rigidity of the structure is insufficient. If the average body thickness is larger than 1.6 times, the rigidity becomes excessive and the cabin space is unnecessarily narrowed.
[0019]
Therefore, in the structure for a railway vehicle, a portion, a shape, and the like of the structure having the largest structure thickness can be easily determined from the outer shape of the vehicle body, excluding the fixing portion of the side structure. In addition, if the hollow structure is configured based on the structure thickness distribution determined in this way and the face plate is arranged, it is not necessary to extremely increase the thickness of the face plate, so that the structure can be reduced in weight and each part of the structure can be realized. The rigidity can be optimized.
[0020]
According to a sixth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to fifth aspects, the thickness of the roof structure in the cross-sectional direction at a center position in the width direction of the structure is different from that of the side structure. It is characterized in that it is thicker than the average thickness of the entire roof structure in the cross-sectional direction of the structure.
That is, for example, when a roof structure is subjected to an airtight load, the center position in the structure width direction tends to deform in the vertical direction, but the center position in the structure width direction of the roof structure is formed to be thicker than the average structure thickness. Since the rigidity of the roof structure is increased, the deformation of the roof structure is suppressed, and the amount of deformation of the entire structure can be reduced.
[0021]
According to a seventh aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to sixth aspects, the thickness of the roof structure in the structure cross-sectional direction at the center position in the structure width direction is different from that of the side structure. The thickness of the roof structure is 1.1 to 1.2 times the average thickness of the entire roof structure in the sectional direction.
That is, in the roof structure, the in-vehicle shape line at the center position is formed such that the structure thickness at the center position is 1.1 to 1.2 times the average body thickness. In this way, the structure thickness at the center position of the roof structure is set to 1.1 to 1.2 times the average structure thickness. When the structure thickness is less than 1.1 times the average structure thickness, the rigidity of the structure is insufficient while the average structure thickness is insufficient. If the thickness is larger than 1.2 times the structure thickness, the rigidity becomes excessive and the cabin space is unnecessarily narrowed. Therefore, the railcar structure can have appropriate rigidity at the center of the roof structure.
[0022]
The invention according to
That is, since the bending moment is zero or very small at this portion, the deformation of the structure does not increase even if the structure thickness is reduced. By making the structure thinner, it becomes possible to make the cabin space slightly larger as well as to reduce the weight.
[0023]
According to a ninth aspect of the present invention, in the invention according to the eighth aspect, the portion is provided between the center portion of the roof structure and the center position of the roof structure and the structure shoulder portion. And the center portion of the roof structure is smoothly connected to the portion having the smallest thickness in the cross-sectional direction of the structure to form a vehicle interior line.
That is, since the change rate of the structure thickness between the side structure and the roof structure is small, the deformation of the structure is also smooth, and the stress generated in each part of the structure can be made closer to a uniform one than the conventional one, and the stress value and the amount of deformation can be reduced. Can be smaller.
[0024]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, an embodiment of the railway vehicle structure of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view of a
The
[0025]
FIG. 2 is a block diagram of the
The
[0026]
The program for optimizing the shape of the railcar structure includes the initial shape of the railcar structure (such as the structure thickness A given as an initial value) and the boundary conditions (load load, constraint conditions, etc.) given to the area. Considering the following equation (1) called average compliance (Φ) in continuum mechanics, regarding the strain and stress generated by the continuum mechanics, the constraints given the average compliance (volume, fixed partial body thickness A, body thickness A Are minimized under the condition of the minimum value of the above. ε is a strain, D is a stress-strain relational expression, and Ω is a region to be studied.
[0027]
(Equation 1)
[0028]
The minimization of the average compliance is described in detail in, for example, “Region Optimization Analysis in Linear Elasticity Problem” published in Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Vol. 60, No. 578 (1994-10), pp. 144-150. Has been described. The outline is as follows.
"Region optimization analysis in linear elasticity problem" is based on formulating the domain optimization problem with the domain shape of linear elastic body as a design variable as a continuum and applying the optimization theory of the distribution system. We approach the domain optimization problem based on the derived governing equations of the domain variation. The numerical analysis method is formulated as a method for solving a governing equation, and a force method has been proposed as one of the methods. In the force method, a finite element method or the like can be used to solve the governing equation of the domain fluctuation by replacing the governing equation with the boundary value problem of the linear elasticity problem. Also, the shape gradient function appearing in the governing equation can be analyzed by using the finite element method or the like. Therefore, "Area Optimization Analysis for Linear Elasticity Problem" formulates the minimization problem of average compliance, clarifies the optimality criterion and the shape gradient function calculated based on the optimization criterion, and then calculates the shape The force method using the gradient function is applied to the domain problem of a linear elastic body.
[0029]
The program for optimizing the shape of the railway vehicle structure is based on the above “Region Optimization Analysis in Linear Elasticity Problem”, which divides the railway vehicle structure of the initial shape into finite elements and calculates the shape gradient function. The shape of the railway vehicle structure is optimized by changing the shape of the railway vehicle structure in the initial shape until the calculation result converges, that is, until the average compliance shown in
[0030]
The
[0031]
Next, strength analysis is performed in S2 of FIG. The strength analysis is performed by the
[0032]
Next, in S3, a sensitivity analysis is performed. In the sensitivity analysis, a shape gradient function G shown in
[0033]
(Equation 2)
[0034]
The shape gradient function G shown in
[0035]
Then, in S4 of FIG. 3, convergence determination is performed. The convergence determination is made based on whether or not the sensitivity obtained by executing the sensitivity analysis is sufficiently small. If it is determined that the sensitivity is sufficiently low (S4: YES), the process ends. On the other hand, if it is determined that the sensitivity is not sufficiently low (S4: NO), the process proceeds to S5, and it is determined whether or not a constraint condition for shape change has been input. If it is determined that the constraint condition has been input (S5: YES), the process directly proceeds to S7.
[0036]
On the other hand, when it is determined that the constraint condition has not been input (S5: NO), in S6, a point where the shape cannot be changed, a constraint on the moving direction, a volume (three-dimensional problem) or an area ( After inputting the two-dimensional problem) from the input /
[0037]
The program for optimizing the shape of the railway vehicle structure operates as follows.
The initial shape analysis model is input to the input /
[0038]
Then, when strength analysis is performed based on the Young's modulus, Poisson's ratio, etc. of the aluminum alloy in the initial shape analysis model, a shape gradient function G is obtained based on the initial shape analysis model and the strength analysis result (S2, S3 in FIG. 3). ). When the sensitivity is not sufficiently small in the convergence determination, that is, when the shape gradient function G has a steep gradient, it is determined whether or not a constraint is input. The shape is changed after inputting the constraint conditions (S4: NO, S5: NO, S6, S7 in FIG. 3).
[0039]
Specifically, in the convergence determination, when the sensitivity is not sufficiently small and no constraint condition is input, for example, a thickness of 40 mm from the outer face plate 6 (see FIG. 10) of the
[0040]
Then, the shape of the railway vehicle structure having the initial shape is changed based on the input constraints and the calculation result of the shape gradient function G (S7 in FIG. 3). Specifically, for example, when the shape gradient function G is locally large, for a portion where the shape gradient function G is large, the node ● of 40 mm is not moved from the outside of the side structure and the roof structure, Based on constraints such as restricting the moving direction to the x direction, the node ● of the element E in a portion within 10 mm from the inside of the side structure and the roof structure is moved inward to increase the size of the element E. . In addition, since there is a constraint condition that the area between the
[0041]
Then, when it is determined in the convergence determination that the sensitivity does not decrease any more, that is, when the value of the shape gradient function G does not become smaller than the previous calculation, the process ends (S4 in FIG. 3: YES), and FIG. Then, the optimized
[0042]
In the
[0043]
The inventor has executed the above-described program to optimize the shapes of several types of railway vehicle structures having different vehicle body outlines M, and determined the vehicle interior shape line N1 based on the vehicle design, that is, the vehicle body outline M. It was confirmed that the shape of the railway vehicle structure could be optimized.
[0044]
The
[0045]
From this point of view, the third point P3 at which the first straight line L1 and the second straight line L2 make a tolerance is the fourth point P4, which is the center point of the curve forming the
[0046]
Then, in order to make the structure thickness W1 at the position where the sixth point P6 is the largest, the car of the
The radius r2 can be easily determined by subtracting 80 mm from a value obtained by multiplying the radius r1 of the vehicle body outline M at the
[0047]
The seventh point P7 draws a curve of the radius r2 so that the structure thickness W1 becomes 1.5 to 1.6 times the average structure thickness obtained by averaging the entire structure thickness A of the
[0048]
In the present embodiment, the radius r1 of the structural
[0049]
The
In the present embodiment, the in-vehicle shape line N1 in a certain range R2 including the maximum width position is formed so that the structure thickness W4 becomes 40 mm.
[0050]
On the other hand, in the
In the present embodiment, since the average structure thickness is 52.8 mm, it is desirable that the structure thickness W2 at the
[0051]
Further, the
In the present embodiment, the structure at a
[0052]
In this way, when the part where the structure thickness A is increased and the part where the structure thickness A is reduced in the
[0053]
Next, the operation of the
For example, when the
[0054]
In the
[0055]
In such a
[0056]
Comparing the shape of the
The
[0057]
However, the
[0058]
Such a slight difference in the shape greatly affects the displacement and stress of the
In the analysis relating to the displacement, a uniform distribution load of 0.001 kPa is applied outward to the
[0059]
As a result of this analysis, the
[0060]
FIG. 7 is a stress diagram showing the maximum stress of the
In the analysis related to this stress, a uniform load of 0.001 kPa is applied to the outside of the
[0061]
As a result of this analysis, as shown in FIG. 7, the
[0062]
On the other hand, in the
[0063]
Therefore, in the
Further, the
[0064]
As described in detail above, according to the
[0065]
Further, according to the
[0066]
Further, according to the
And, since the in-vehicle shape line N1 forming the structural
[0067]
Further, according to the
[0068]
Further, according to the
[0069]
Furthermore, according to the
[0070]
The present invention is not limited to the embodiment, and it goes without saying that various changes can be made without departing from the gist of the present invention.
[0071]
【The invention's effect】
Therefore, the railway vehicle structure of the present invention is characterized in that the side structure and the roof structure are separately manufactured by connecting a plurality of hollow members in which the outer side plate and the inner side plate are connected by the middle plate, and are erected on the underframe. Body structure determined by the cross-sectional position of the outer face plate in which the roof structure is mounted on the joined side structure and joined, or the side structure and the roof structure are integrally manufactured and mounted on the underframe The line is constant, and the cross-sectional position of the inner surface plate is changed based on the stress generated in each part of the structure. Since the small portions are made thinner, it is possible to simultaneously achieve a reduction in the weight of the structure and an increase in rigidity.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a side structure and a roof structure of a railway vehicle structure according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram of a computer used when optimizing the shape of a railway vehicle structure.
FIG. 3 is a flowchart of a program for optimizing the shape of a railway vehicle structure.
FIG. 4 is a conceptual diagram in which a part of a railway vehicle structure is divided into finite elements.
FIG. 5 is a displacement diagram of a side structure and a roof structure of a conventional railway vehicle structure.
FIG. 6 is also a displacement diagram of an optimized side structure and a roof structure of a railway vehicle structure.
FIG. 7 is a stress diagram showing the maximum stress of a side structure and a roof structure of a conventional railway vehicle structure.
FIG. 8 is a stress diagram showing the optimized maximum stresses of the side structure and the roof structure of the railway vehicle structure.
FIG. 9 is an external perspective view of a railway vehicle structure.
FIG. 10 is an enlarged sectional view of a hollow profile.
FIG. 11 is a sectional view of a side structure and a roof structure of a conventional railway vehicle structure.
[Explanation of symbols]
2 side structure
2a Fixed part
3 roof structure
3a center position
3b site
4 frame
5 Hollow profiles
6 Outer side plate
7 Inside surface plate
8 Middle plate
10 Structures for railway vehicles
14 Structure shoulder
A Structure thickness
W1 Structure thickness
W2 Structure thickness
W3 Structure thickness
W4 Structure thickness
M Body outline
N1 body shape line
Claims (9)
前記外側面板の断面方向位置により決定される車体外形線を一定とし、前記内側面板の断面方向位置を構体各部で発生する応力に基づいて変化させ、前記外側面板と前記内側面板とで形成される構体断面方向の厚さを応力の大きい部位では厚く、応力の小さい部位では薄くすることを特徴とする鉄道車両用構体。The outer side plate and the inner side plate are connected to each other by hollow plates connected by the middle plate to separately produce a side structure and a roof structure, and the roof structure is placed on the side structure standing on an underframe. Mounted and combined, or, in a railcar structure manufactured integrally with the side structure and the roof structure and mounted on an underframe,
The outer shape plate determined by the cross-sectional position of the outer face plate is made constant, and the cross-sectional position of the inner face plate is changed based on the stress generated in each part of the structure to be formed by the outer face plate and the inner face plate. A structure for a railway vehicle, wherein a thickness in a cross-sectional direction of the structure is thick at a portion having a large stress and thin at a portion having a small stress.
前記屋根構体と前記側構体とを結合する構体肩部付近の構体断面方向の厚さが、前記側構体と前記屋根構体の全体を平均した構体断面方向の厚さよりも厚いことを特徴とする鉄道車両用構体。The railway vehicle structure according to claim 1,
A railway characterized in that a thickness in a cross-sectional direction of a structure near a shoulder of a structure connecting the roof structure and the side structure is thicker than a thickness in a cross-sectional direction of the whole of the side structure and the roof structure as an average. Vehicle structure.
前記構体肩部は、前記側構体及び前記屋根構体を構成する曲線よりも曲率の大きい曲線で前記側構体と前記屋根構体とを結合したものであって、前記側構体が前記台枠に固定される固定部を除いて、前記側構体と前記屋根構体の中で前記構体断面方向の厚さを最も厚くする部位を有し、
前記構体断面方向の厚さを最も厚くする部位は、
構体断面において屋根構体の中心位置又は構体の最大高さ位置から水平方向に第1直線を描き、
構体の最大幅位置から垂直方向に第2直線を描き、
前記第1直線と前記第2直線とが交差する点を第3点として規定し、
前記外側面板によって形成される車体外形線のうち前記構体肩部を形成する曲線の中心点を第4点として規定し、
前記第3点と前記第4点とを結んで第5直線を描き、
前記第5直線が前記車体外形線と交差する点を第6点として規定したときに、
前記第6点が位置する部位であることを特徴とする鉄道車両用構体。The railway vehicle structure according to claim 1 or 2,
The structure shoulder is a combination of the side structure and the roof structure with a curve having a larger curvature than the curve forming the side structure and the roof structure, and the side structure is fixed to the underframe. Excluding the fixing portion, the portion having the largest thickness in the cross-sectional direction of the structure in the side structure and the roof structure,
The site where the thickness in the sectional direction of the structure is the largest,
Draw a first straight line in the horizontal direction from the center position of the roof structure or the maximum height position of the structure in the structure cross section,
Draw a second straight line vertically from the maximum width position of the structure,
A point at which the first straight line and the second straight line intersect is defined as a third point,
A center point of a curve forming the structural body shoulder portion of the vehicle body outline formed by the outer face plate is defined as a fourth point,
Draw a fifth straight line connecting the third point and the fourth point,
When a point at which the fifth straight line intersects the vehicle body outline is defined as a sixth point,
A structure for a railway vehicle, wherein the sixth point is located.
前記構体肩部は、前記内側面板によって形成される基準線である車体内形線が、前記第5直線上に規定した第7点を中心点とする曲線で形成されていることを特徴とする鉄道車両用構体。The railway vehicle structure according to claim 3,
The structural body shoulder portion is characterized in that a vehicle interior shape line, which is a reference line formed by the inner side surface plate, is formed by a curve centered on a seventh point defined on the fifth straight line. Structure for railway vehicles.
前記構体断面方向の厚さを最も厚くする部位では、構体断面方向の厚さが、前記側構体と前記屋根構体の全体を平均した構体断面方向の厚さの1.5〜1.6倍の厚さで形成されていることを特徴とする鉄道車両用構体。The railway vehicle structure according to claim 3 or 4,
At the site where the thickness in the structure cross-section direction is the largest, the thickness in the structure cross-section direction is 1.5 to 1.6 times the thickness in the structure cross-section direction that averages the entire side structure and the roof structure. A railway vehicle structure characterized by being formed with a thickness.
前記屋根構体の構体幅方向の中心位置における構体断面方向の厚さが、前記側構体と前記屋根構体の全体を平均した構体断面方向の厚さより厚いことを特徴とする鉄道車両用構体。The railway vehicle structure according to any one of claims 1 to 5,
A structure for a railway vehicle, wherein a thickness of the roof structure in a structure cross-sectional direction at a center position in a structure width direction is larger than a thickness of the side structure and the roof structure in the structure cross-section direction as a whole.
前記屋根構体の構体幅方向の中心位置における構体断面方向の厚さが、側構体と屋根構体の全体を平均した構体断面方向の厚さの1.1〜1.2倍の厚さであることを特徴とする鉄道車両用構体。The railway vehicle structure according to any one of claims 1 to 6,
The thickness of the roof structure in the structure cross-section direction at the center position in the structure width direction is 1.1 to 1.2 times the thickness of the side structure and the roof structure in the structure cross-section direction averaged over the entirety. A railway vehicle structure characterized by the above-mentioned.
前記屋根構体の中心位置と前記構体肩部との間に前記構体断面の中で構体断面方向の厚さが最も薄い部位を設けたことを特徴とする鉄道車両用構体。The railway vehicle structure according to any one of claims 1 to 7,
A structure for a railway vehicle, wherein a portion having the smallest thickness in the cross-sectional direction in the cross-section of the structure is provided between a center position of the roof structure and a shoulder of the structure.
前記構体肩部の構体断面方向の厚さが最も厚い部位と、前記屋根構体の中心位置と前記構体肩部との間に設けた構体断面方向の厚さが最も薄い部位と、前記屋根構体の中心位置とをなめらかに結んで車体内形線を形成することを特徴とする鉄道車両用構体。The railway vehicle structure according to claim 8,
A portion where the thickness of the structure shoulder in the cross-section direction is the largest, a portion where the thickness in the cross-section direction of the roof provided between the center position of the roof structure and the structure shoulder is the thinnest, A structure for a railway vehicle, wherein a body shape line is formed by smoothly connecting to a center position.
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JP2015039989A (en) * | 2013-08-22 | 2015-03-02 | 日本車輌製造株式会社 | Railway vehicle body structure |
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