JP2005190242A

JP2005190242A - 台車枠の強度評価方法及び、台車枠の製造方法

Info

Publication number: JP2005190242A
Application number: JP2003431882A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Shimokawa; 嘉之下川; Tomoyuki Sato; 與志佐藤; Osamu Kondo; 修近藤
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2003-12-26
Filing date: 2003-12-26
Publication date: 2005-07-14
Anticipated expiration: 2023-12-26
Also published as: JP4305177B2

Abstract

【課題】安全率の低い（１以下）部位を見落とす可能性を大幅に減少させ、より正確な強度評価が行える方法を提供すること。
【解決手段】台車枠についてＦＥＭモデルを作成する工程と；ＦＥＭモデルの節点について、複合応力を演算する工程と；複合応力に基づいて安全率分布図を作成し、強度評価を行う工程とを含む。本発明によれば、強度評価を台車枠全体に渡って細かく行うことができ、従来のように実際に歪みゲージを台車枠に貼って行われる静荷重試験に比べて、評価信頼性が格段に向上する。
【選択図】図３

Description

本発明は、車両用台車枠の強度評価方法に関し、特に、ＦＥＭ解析を用いた新規な台車枠強度評価方法及び、台車枠の製造方法に関する。

鉄道車両の分野においては、ゆれまくら、牽引装置、軸箱支持装置、及びこれらに付属する部品の強度評価は、ＪＩＳＥ４２０７，ＪＩＳＥ４２０８に従って行われることから、これらについて、ここでの台車枠に含むものとする。従来の台車枠強度確認は、実際の台車枠に歪みゲージを貼って静荷重試験を行い、測定された応力から平均応力と変動応力を演算する。そして、演算された各応力を耐久限度線図上にプロットして耐久限度と比較して、台車枠の強度評価を行っていた。

特開平２００２−７３７０５には、鉄道車両用台車枠ＦＥＭ解析におけるＦＥＭモデル作成方法が開示されている。

特開平２００２−７３７０５

しかしながら、特開平２００２−７３７０５に開示されているのは、単なるＦＥＭモデルの作成方法であり、台車枠の強度評価に直接利用できるものではない。このため、安全率が最も低くなると予想される位置に歪みゲージを貼って、静荷重試験を行ない、各部位の複合応力を求めていた。

ＪＩＳによる複合応力演算は、角度によって応力値が異なるため、耐久限度線図で評価する場合には、安全率が最も低くなる向きを求める必要がある。このため、歪みゲージを用いた従来の方法においては、歪みゲージの角度を少しずつ変化させながら測定を行うか、ロゼットゲージを使用していた。

台車枠強度設計と評価の全体的な流れとしては、（１）材料力学又はＦＥＭ（有限要素法）を用いて机上で強度設計を行い、（２）製造を行い、（３）静荷重試験を行っている。このうち、（３）静荷重試験において、上述した歪みゲージを用いた計測が行われる。

しかしながら、測定者が直接歪みゲージを貼って行われる応力測定においては、歪みゲージ貼り付け位置の最終決定を人間の感に頼る部分もあり、安全率が１より低くなる部位を見落とす可能性もある。その結果、最終的に製造された台車枠の強度的品質が低下する可能性があった。

本発明は上記のような状況に鑑みてなされたものであり、安全率の低い（１以下）部位を見落とす可能性を大幅に減少させ、より正確な強度評価が行える方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様に係る台車枠の強度評価方法は、前記台車枠についてＦＥＭモデルを作成する工程と；前記ＦＥＭモデルの全ての節点又は全ての表面節点について、複合応力を演算する工程と；前記複合応力に基づいて安全率分布図を作成し、強度評価を行う工程とを含む。

上記のように、本発明の第１の態様に係る強度評価方法においては、ＦＥＭ解析結果を用いて台車枠の強度評価を行っているため、強度評価を台車枠全体に渡って細かく行うことができ、従来のように実際に歪みゲージを台車枠に貼って行われる静荷重試験に比べて、評価信頼性が格段に向上する。

本発明の第２の態様に係る台車枠製造方法は、上記第１の態様に係る方法による強度評価結果に基づき、安全率分布図を参考にして静荷重試験で強度評価を行う。このような製造方法によれば、強度評価の信頼性が向上することにより、製造される台車枠の精度、強度信頼性が飛躍的に向上する。

本発明について説明するに先立ち、台車枠の強度評価方法における静荷重試験の基本的な手順について簡単に説明する。先にも説明したように、従来においては、静荷重試験を行う際に、例えば、ＪＩＳＥ４２０８に従い、測定者が直接歪みゲージを台車枠に貼って当該部位の応力を測定していた。図１には、歪みゲージ番号と単荷重毎のデータの例を示す。また、図２には、ＪＩＳＥ４２０７で規定される耐久限度線図を示す。図２に示すように、測定された単荷重応力から平均応力と変動応力を演算し、これを耐久限度線図上にプロットして耐久限度と比較して、台車枠の強度評価を行っていた。

図３は、本発明に係る台車枠強度評価方法の全体的な流れを示す説明図である。本発明においては、予め所定粗さのメッシュで分割されたＦＥＭモデルを作成しておく。そして、ＦＥＭモデル上の全ての節点において、仮想的に歪みゲージを定義し、単荷重毎の応力を求める。ここで、単荷重としては、例えば、上下荷重、前後荷重、左右荷重、ブレーキ荷重、ねじり荷重、モータ荷重、駆動装置荷重等が含まれる。尚、静荷重試験で使用する歪みゲージは、物体の表面のみしか貼ることができないことより、ＦＥＭモデルの全ての表面節点を対象としてもよい。また、前後対称形の形状の場合、前方又は後方のみの節点を対象としてもよい。このことは、左右対称形の場合も同様である。特定のブラケット部の強度評価を行う場合は、その強度評価を行うブラケット部の節点だけを対象としてもよい。このように、強度評価範囲を目的に応じて減らすこと、すなわち、安全率分布図を出力する範囲のみを対象とすることで、安全率分布図の作成、演算時間を削減しても良い。

例えば、図４に示すように、強度評価を行う部位に相当するＦＥＭモデルの節点Ａと、近傍の２つの節点ＢとＣとから内挿して求められる点Ｄ（Ｂ，Ｃの節点データを補間した値）における、荷重負荷前後の距離の変化から、向きＡ−Ｄの歪みを求め、ヤング率との積をとることで応力を求める。これを単荷重毎に行うことで、向きＡ−Ｄの複合応力を演算する。

点Ｄの位置を決めるパラメータｒを変化させることで、節点Ａ−Ｂ間から節点Ａ−Ｃ間の向きの安全率の変化を得ることができる。さらに、節点Ｂと節点Ｃとを交換することで、節点Ａでの安全率が最も低くなる向きの安全率を得ることができる。すなわち、点Ｄを節点Ａに対して回転させながら、安全率を求めることで、節点Ａにおける最も安全率が低い値を求めることができる。

次に、得られた単荷重毎の応力を用いて、複合応力演算を行い、耐久限度線図上で強度評価を行う。例えば、複合平均応力と複合変動応力を耐久限度線図上にプロットする。複合応力としては、駆動時の複合応力、ブレーキ時の複合応力を含めることができる。このような演算を台車枠ＦＥＭモデル上の全ての節点又は全ての表面節点について行うことで、材質毎の安全率を算出する。ここで、「各材質」とは、母材、Ｇ仕上げ（研磨仕上げ）、Ａｓ−Ｗｅｌｄ（溶接のまま）を含むそれぞれの耐久限度とすることができる。次に、各材質毎に安全率分布図（コンター図）を作成する。

なお、耐久限度線図については、母材、Ｇ仕上げ（研磨仕上げ）、Ａｓ−Ｗｅｌｄ（溶接のまま）等の耐久限度の区分については、部位毎に安全率を求めるための耐久限度線図を定義することで、１種類の安全率コンター図を作成してもよい。あるいは、耐久限度線図の数だけコンター図を作成し、部位毎に利用するコンター図に変えてもよい。

本発明においては、上記のようにＦＥＭ解析によってコンター図を作成し、台車枠の強度評価を行っているため、強度品質が向上する。ＦＥＭ解析による強度評価の後は、評価結果に基づいて台車枠の設計変更等の処置を行って、台車枠の製造を行う。

以下、本発明について実施例を用いて更に具体的に説明する。図４は、本発明の実施例におけるＦＥＭ解析用の歪みゲージ（仮想）位置を示す説明図である。

本発明による台車枠の製造は、以下の手順に従って行うことができる。
１．台車枠の構造設計
２．ＦＥＭ解析による台車枠の強度評価
３．台車枠の製造
４．静荷重試験

本実施例においては、上述の第２項目（ＦＥＭ解析による台車枠の強度評価）を行うに際し、鉄道車両用の台車枠を多数のメッシュに分割し、単荷重毎にＦＥＭ解析を行う。そして、強度評価を行う部位に相当する節点Ａ（座標：Ｘａ，Ｙａ，Ｚａ）を選び、複合応力演算を行う向きを定義するため、節点Ａ近傍の節点Ｂ（座標：Ｘｂ，Ｙｂ，Ｚｂ），Ｃ（座標：Ｘｃ，Ｙｃ，Ｚｃ）及び、節点Ｂ，Ｃに内挿する点Ｄ（座標：Ｘｄ，Ｙｄ，Ｚｄ）を決める。その時の距離ＢＤ：ＤＣの比率をｒとする。
ここで、点Ｄの座標は、以下の式で表される。
Ｄ（Ｘｄ，Ｙｄ，Ｚｄ）＝ｒ×Ｂ（Ｘｂ，Ｙｂ，Ｚｂ）＋（１−ｒ）
×Ｃ（Ｘｃ，Ｙｃ，Ｚｃ）
但し、０≦ｒ≦１

また、点Ｄの変位ΔＤは、以下の式で表される。
ΔＤ（ΔＸｄ，ΔＹｄ，ΔＺｄ）＝ｒ×Ｂ（ΔＸｂ，ΔＹｂ，ΔＺｂ）
＋（１−ｒ）×Ｃ（ΔＸｃ，ΔＹｃ，ΔＺｃ）

さらに、Ａ−Ｄ間における荷重負荷前の距離ＡＤ_０と荷重負荷後の距離ＡＤ_１は、次式で得られる。
ＡＤ_０＝（（Ｘ_Ａ−Ｘ_Ｄ）^２＋（Ｙ_Ａ−Ｙ_Ｄ）^２＋（Ｚ_Ａ−Ｚ_Ｄ）^２）^０．５
ＡＤ_１＝（（（Ｘ_Ａ＋ΔＸ_Ａ）−（Ｘ_Ｄ＋ΔＸ_Ｄ））^２＋（（Ｙ_Ａ＋ΔＹ_Ａ）−
（Ｙ_Ｄ＋ΔＹ_Ｄ））^２＋（（Ｚ_Ａ＋ΔＺ_Ａ）−（Ｚ_Ｄ＋ΔＺ_Ｄ））^２）^０．５

このとき、Ａ−Ｄ間の歪みλ_ＡＤは、次式で得られる。
λ_ＡＤ＝（｜ＡＤ_１｜−｜ＡＤ_０｜）／｜ＡＤ_０｜
そして、Ａ−Ｄ間の応力σ_ＡＤは、次式で得られる。
σ_ＡＤ＝Ｅ×λ_ＡＤ（Ｅ：ヤング率）

以上に示した、任意方向の応力をＦＥＭ解析節点変位結果から求める手法を、各単荷重に適用し、ＡＤ方向の単荷重毎の応力を全て求める。図５は、本発明の実施例による（仮想）歪みゲージの向きによって変化する単荷重毎の応力を示すグラフである。また、図６は、本発明の実施例による（仮想）歪みゲージの向きによって変化する安全率を示すグラフであり、図５に対応する。図５及び図６において、横軸はＦＥＭモデル上に定義した歪みゲージの回転パラメータｒの値を示す。図５の縦軸は、回転パラメータｒを０から１まで連続的に変化させたときの、上下荷重、モータ荷重、ねじり荷重の単荷重の応力を示す。また、図６の縦軸は、回転パラメータｒを０から１まで連続的に変化させたときの、ＪＩＳ式複合応力演算から安全率を求めた値を示す。

次に、得られたＡＤ方向の単荷重毎の応力を用いて、複合応力演算を行い、耐久限度線図上で強度評価を行う。例えば、複合平均応力と複合変動応力を耐久限度線図上にプロットする。このような演算を台車枠ＦＥＭモデル上の全ての節点について行うことで、安全率のコンター図を作成することができる。

図７は、本発明の実施例に係る強度評価方法によって作成されるコンター図（安全率分布図）の一例であり、Ａｓ−Ｗｅｌｄ（溶接のまま）の場合を示す。また、図８は、本発明の実施例に係る強度評価方法によって作成されるコンター図（安全率分布図）の一例であり、Ｇ仕上（研磨仕上げ）の場合を示す。図７及び図８において、分配された各領域ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆは、例えば、以下のように定義することができる。
領域ａ：安全率１以下
領域ｂ：安全率１〜１．２
領域ｃ：安全率１．２〜１．５
領域ｄ：安全率１．５〜２．０
領域ｅ：安全率２．０〜３．０
領域ｆ：安全率３．０以上

上記のように作成されたコンター図に基づき、台車枠の設計変更等の作業を行う。例えば、安全率が１より小さい場合には、設計変更を行う。ただし、Ａｓ−Ｗｅｌｄ安全率が１以下であり、Ｇ仕上げ安全率が１より大きい場合には、Ｇ仕上げ溶接とする。

次に、強度評価が完了したら、台車枠の製造を行い、その後、静荷重試験（最終強度確認試験）を実施する。

図９は、本発明の他の実施例に係る台車枠寿命計算方法に使用される荷重波形を示すグラフである。なお、横軸が時間（秒）縦軸が荷重を示す。本実施例においては、先に示した実施例のように強度評価及びこれに基づく台車枠の製造方法に加え、台車枠の寿命解析を行うものである。すなわち、耐久限度線図に対する安全率だけでなく、材質区分毎の寿命演算を行い、材質区分毎の寿命分布図を作成する。

図９に示す荷重波形が台車枠に作用した場合、動的解析を行うことにより、図１０、図１１に示すようなＦＥＭモデル上の歪みゲージの台車枠応力波形を求めることができる。この応力波形に対し、ＦＥＭモデル上に定義した歪みゲージの向きを変えながら寿命演算を行う。そして、最も寿命が短くなった向きの寿命をその節点での寿命とする。この演算作業を寿命強度評価を行う台車枠の節点について実施することで、台車枠の寿命コンター図を作成することができる。

図１は、従来の台車枠の強度評価方法の例を示す表である。図２は、ＪＩＳで用いられる耐久限度線図の例である。図３は、本発明に係る台車枠強度評価方法の流れを示す説明図である。図４は、本発明の実施例におけるＦＥＭ解析用の歪みゲージ（仮想）位置を示す説明図である。図５は、本発明の実施例による（仮想）歪みゲージの向きによって変化する単荷重毎の応力を示すグラフである。図６は、本発明の実施例による（仮想）歪みゲージの向きによって変化する安全率を示すグラフであり、図５に対応する。図７は、本発明の実施例に係る強度評価方法によって作成されるコンター図（安全率分布図）の一例であり、Ａｓ−Ｗｅｌｄ（溶接のまま）の場合を示す。図８は、本発明の実施例に係る強度評価方法によって作成されるコンター図（安全率分布図）の一例であり、Ｇ仕上（研磨仕上げ）の場合を示す。図９は、本発明の他の実施例に係る台車枠寿命計算方法に使用される荷重波形を示すグラフである。図１０は、本発明の他の実施例に係る台車枠寿命計算方法に使用される応力波形を示すグラフである。図１１は、本発明の他の実施例に係る台車枠寿命計算方法に使用される複合応力波形を示すグラフである。

Claims

車両の台車枠の強度評価方法において、
前記台車枠についてＦＥＭモデルを作成する工程と；
前記ＦＥＭモデルの節点について、複合応力を演算する工程と；
前記複合応力に基づいて安全率分布図を作成し、強度評価を行う工程とを含むことを特徴とする台車枠の強度評価方法。
前記安全率分布図に基づいて前記台車枠の静荷重試験による強度評価を行う工程を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記複合応力を演算する工程は、前記ＦＥＭモデル上に仮想的に歪みゲージを定義する工程と；前記歪みゲージを用い、前記ＦＥＭモデルの節点について、安全率が最も低くなる向きを求める工程とを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
前記歪みゲージは、ＦＥＭモデル上において強度評価を行う部位に相当する節点Ａと、当該節点Ａの近傍の２つの節点Ｂ，Ｃとから内挿して求められる点Ｄとを結ぶように定義され；前記点Ａ−Ｄ間における荷重負荷前後の距離の変化から、向きＡ−Ｄの歪みを求め；当該歪みとヤング率との積をとることで単荷重毎の応力を求め；これら単荷重毎の応力に基づいてＡ−Ｄ方向の複合応力を演算することを特徴とする請求項３に記載の方法。
前記安全率分布図を作成するに先立ち、前記点Ｄの位置を決めるパラメータｒを変化させることで、節点Ａ−Ｂ間から節点Ａ−Ｃ間の向きでの安全率の変化を求めることを特徴とする請求項４に記載の方法。
前記安全率分布図は、材質（耐久限度）毎に作成することを特徴とする請求項１，２，３，４又は５に記載の方法。
車両の台車枠の製造方法において、
前記台車枠の強度評価を行う工程と；
前記強度評価の結果に基づき、必要に応じて前記台車枠の補強を行う工程と；
最終的な機械加工を行う工程とを含み、
前記強度評価工程は、
（１）前記台車枠についてＦＥＭモデルを作成する工程と；
（２）前記ＦＥＭモデルの節点について、複合応力を演算する工程と；
（３）前記複合応力に基づいて安全率分布図を作成し、強度評価を行う工程とを含むことを特徴とする台車枠の製造方法。
前記安全率分布図に基づいて前記台車枠の静荷重試験による強度評価を行う工程を更に含むことを特徴とする請求項７に記載の台車枠の製造方法。
前記複合応力を演算する工程は、前記ＦＥＭモデル上に仮想的に歪みゲージを定義する工程と；前記歪みゲージを用い、前記ＦＥＭモデルの全ての節点について、安全率が最も低くなる向きを求める工程とを含むことを特徴とする請求項６，７又は８に記載の製造方法。
前記歪みゲージは、ＦＥＭモデル上において強度評価を行う部位に相当する節点Ａと、当該節点Ａの近傍の２つの節点Ｂ，Ｃとから内挿して求められる点Ｄとを結ぶように定義され；前記点Ａ−Ｄ間における荷重負荷前後の距離の変化から、向きＡ−Ｄの歪みを求め；当該歪みとヤング率との積をとることで単荷重毎の応力を求め；これら単荷重毎の応力に基づいてＡ−Ｄ方向の複合応力を演算することを特徴とする請求項９に記載の製造方法。
前記安全率分布図を作成するに先立ち、前記点Ｄの位置を決めるパラメータｒを細かく変化させることで、節点Ａ−Ｂ間から節点Ａ−Ｃ間の向きでの安全率の変化を求めることを特徴とする請求項１０に記載の製造方法。
前記安全率分布図は、材質（耐久限度）毎に作成することを特徴とする請求項６，７，８，９，１０又は１１に記載の製造方法。
前記ＦＥＭモデル上に定義した歪みゲージの向きを変えながら寿命が最も短くなる向きを求める工程を更に含むことを特徴とする請求項２，３，４，５又は６に記載の方法。
前記ＦＥＭモデル上に定義した歪みゲージの向きを変えながら寿命が最も短くなる向きを求める工程を更に含むことを特徴とする請求項８，９，１０，１１又は１２に記載の製造方法。