JP2015133063A

JP2015133063A - シミュレーション装置、シミュレーション方法およびプログラム

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Publication number: JP2015133063A
Application number: JP2014005260A
Authority: JP
Inventors: 正道曽我部; Masamichi Sogabe; 渡辺　勉; Tsutomu Watanabe; 勉渡辺; 宗正徳永; Munemasa Tokunaga; 弘大松岡; Kota Matsuoka
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 2014-01-15
Filing date: 2014-01-15
Publication date: 2015-07-23

Abstract

【課題】形状が一意でない構造物と車両との接触を過大な負荷とならずに模擬できるようにする。【解決手段】シミュレーション装置が、車両を模擬する点と、構造物を模擬する面との接触の有無の判定を行う接触判定部と、前記接触判定部の判定結果に基づいて、前記車両の挙動と、前記車両にかかる力と、前記構造物にかかる力とを算出する力学解析部と、を具備する。【選択図】図１

Description

本発明は、シミュレーション装置、シミュレーション方法およびプログラムに関する。

地震時等における鉄道車両の走行安全性を確保するための技術として、高架橋等の固有振動数を高めて鉄道車両の水平方向の固有振動数と異なるようにする技術や、脱線防止ガードを設ける技術や、逸脱防止ガードを設ける技術などが提案されている。
もっとも、地震時には鉄道車両が大きく振動するため、脱線しない状態でもホームや下路桁等への接触の可能性がある。また、脱線を許容する逸脱防止ガードによる対策を取った場合、脱線した鉄道車両が、ホームや下路桁等の線路構造物に近接する場合が考えられる。
これらの事象について安全性を評価する手法が求められるが、実物大実験等による検証は著しく困難である。そこで、数値解析によりこれらの事象をシミュレーションすることが考えられる。

鉄道車両の挙動の数値解析によるシミュレーションに関連して、幾つかの技術が提案されている。
例えば、非特許文献１には、半車両規模の車両モデルを用いた逸脱防止ガードの数値解析モデルや、当該モデルを用いた車輪の挙動解析が示されている。ここでいう逸脱防止ガードは、鉄道車両脱線時に当該鉄道車両を反対線や軌道外部に逸脱させないために、軌道の外側または内側に、レールに沿って設けられるガードである。特許文献１に記載の数値解析モデルでは、鉄道車両を構成する車体、台車および輪軸と、軌道とを、それぞれ剛体として模擬し、ペナルティ関数法を用いて鉄道車両と軌道および構造物との動的接触を表現する。
また、非特許文献２には、脱線後の鉄道車両の挙動を評価するために、ＭＢＤ（Multi Body Dynamics）により逸脱防止ガードを含む軌道構造と車輪とをモデル化する手法や剛体断面モデルが提案されている。

曽我部正道、外２名、「地震時列車逸脱防止ガードの性能評価法の開発」、鉄道力学シンポジウム論文集、Ｎｏ．１１、２００７年６月、ｐ．６９−７４曽我部正道、外４名、「連続する鉄道構造物群の地震時車両走行性」、鉄道力学シンポジウム論文集、Ｎｏ．１３、２００９年７月、ｐ．１７７−１８４

非特許文献１に記載の数値解析モデルを用いれば、地震時等における鉄道車輪の挙動を解析することができ、例えば、逸脱防止ガードの有効性を評価することができる。また、非特許文献２に記載のモデルを用いれば、脱線後の鉄道車両の挙動を考慮してさらに詳細な解析を行うことができる。これらの解析に加えて、例えば下路桁やトンネル坑口などの線路構造物と車体との接触も解析できれば、解析の適用範囲が広がる。
ここで、下路桁やトンネル坑口等は、形状が一意でなくモデルの自由度が大きくなる可能性がある。このように形状が一意でない構造物（線路構造物等）と車両（鉄道車両等）との接触を過大な負荷とならずに模擬できることが望まれる。

本発明は、形状が一意でない構造物と車両との接触を過大な負荷とならずに模擬できるシミュレーション装置、シミュレーション方法およびプログラムを提供する。

本発明の一態様によるシミュレーション装置は、車両を模擬する点と、構造物を模擬する面との接触の有無の判定を行う接触判定部と、前記接触判定部の判定結果に基づいて、前記車両の挙動と、前記車両にかかる力と、前記構造物にかかる力とを算出する力学解析部と、を具備する。

前記接触判定部が、複数の面を有する前記構造物のいずれかの面と前記車両との接触有りと判定した場合、当該構造物の他の面を接触判定の対象から除外する対象面設定部を具備するようにしてもよい。

前記車両における接触候補部分を分割した領域毎に前記車両を模擬する点が設定され、前記シミュレーション装置は、各点における接触力を合計して接触部分全体にかかる接触力を算出する接触力算出部を具備し、前記力学解析部は、前記接触力算出部が算出した接触力に基づいて、前記車両の挙動と、前記車両にかかる力と、前記構造物にかかる力とを算出する、ようにしてもよい。

本発明の他の一態様によるシミュレーション方法は、車両を模擬する点と、構造物を模擬する面との接触の有無の判定を行う接触判定ステップと、前記接触判定ステップでの判定結果に基づいて、前記車両の挙動と、前記車両にかかる力と、前記構造物にかかる力とを算出する力学解析ステップと、を有する。

本発明の他の一態様によるプログラムは、コンピュータに、車両を模擬する点と、構造物を模擬する面との接触の有無の判定を行う接触判定ステップと、前記接触判定ステップでの判定結果に基づいて、前記車両の挙動と、前記車両にかかる力と、前記構造物にかかる力とを算出する力学解析ステップと、を実行させるためのプログラムである。

上記したシミュレーション装置、シミュレーション方法およびプログラムによれば、形状が一意でない構造物と車両との接触を過大な負荷とならずに模擬できる。

本発明の一実施形態におけるシミュレーション装置の機能構成を示す概略ブロック図である。同実施形態における接触検知点の例を示す説明図である。同実施形態における分担領域の例を示す説明図である。同実施形態における分担領域毎の食い込み量の分担例を示すグラフである。同実施形態における仮想食い込み量と接触力との関係の第１例を示すグラフである。同実施形態における仮想食い込み量と接触力との関係の第２例を示すグラフである。同実施形態における仮想食い込み量と接触力との関係の第３例を示すグラフである。同実施形態における接触面の設定例を示す説明図である。同実施形態におけるトリガ記憶部の記憶する判定トリガの例を示す説明図である。同実施形態における接触判定テーブル記憶部が記憶する接触状態テーブルの例を示す説明図である。同実施形態における接触面グループの例を示す説明図である。同実施形態における接触状態ＫＥＹの値が１（接触）となる例を示す説明図である。同実施形態における接触状態ＫＥＹの値が０（除外）となる例を示す説明図である。同実施形態における接触状態ＫＥＹの値が−１（非接触）となる例を示す説明図である。同実施形態におけるシミュレーション装置が接触判定を行って鉄道車両の挙動等を算出する処理手順を示す説明図である。

以下、本発明の実施形態を説明するが、以下の実施形態は請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
図１は、本発明の一実施形態におけるシミュレーション装置の機能構成を示す概略ブロック図である。同図において、シミュレーション装置１００は、操作入力部１１０と、表示部１２０と、記憶部１８０と、制御部１９０とを具備する。記憶部１８０は、モデル記憶部１８１と、トリガ記憶部１８２と、接触判定テーブル記憶部１８３とを具備する。制御部１９０は、入力処理部１９１と、表示制御部１９２と、モデル設定部１９３と、接触判定部１９４と、接触力算出部１９５と、対象面設定部１９６と、力学解析部１９７とを具備する。

シミュレーション装置１００は、例えば地震時など設定された条件下における、鉄道車両の挙動や鉄道車両にかかる力や線路構造物にかかる力を算出する。ここでいう線路構造物とは、レール（線路）やレールの周辺に設けられた構造物である。例えば、駅のホームや下路桁やトンネルや逸脱防止ガードが線路構造物の例に該当する。ここでいう逸脱防止ガードは、鉄道車両脱線時に当該鉄道車両を反対線や軌道外部に逸脱させないために、軌道の外側または内側に、レールに沿って設けられるガードである。

シミュレーション装置１００は、より具体的には、鉄道車両と線路構造物との接触の有無を判定し、判定結果に基づいて鉄道所領と線路構造物との間に作用する接触力を算出し、得られた接触力に基づいて物理解析を行って、鉄道車両の挙動等を算出する。ここでいう接触力とは、２つの物体が互いに接触することで生じる力である。
シミュレーション装置１００は、例えばコンピュータがプログラムを実行することで実現される。
なお、以下では、シミュレーション装置１００を鉄道車両と鉄道構造物との接触の模擬に用いた場合を例に説明するが、シミュレーション装置１００の適用範囲はこれに限らない。シミュレーション装置１００は、様々な車両と様々な構造物との接触の模擬に適用可能である。

操作入力部１１０は、例えばキーボードやマウス等の入力デバイスを有し、ユーザ操作を受け付ける。特に、操作入力部１１０は、模擬対象の鉄道車両のモデルや鉄道構造物のモデルの設定操作や、模擬条件（例えば地震波やシミュレーション対象時間など）の設定操作を受け付ける。

表示部１２０は、例えば液晶パネル等の表示画面を有し、各種画像を表示する。特に、表示部１２０は、接触模擬の結果を表示する。
表示部１２０が接触模擬の結果を表示する方法は、様々な方法とすることができる。例えば、表示部１２０が、鉄道車両の位置や、鉄道車両にかかる力や、線路構造物にかかる力を数値データにて示すようにしてもよい。あるいは、表示部１２０が、鉄道車両の挙動をアニメーションにて表示するようにしてもよい。
また、シミュレーション装置１００の出力は、表示部１２０での表示に限らない。例えば、シミュレーション装置１００が、シミュレーション結果を他の装置へ送信するようにしてもよい。

記憶部１８０は、シミュレーション装置１００の有する記憶デバイスを用いて実現され、各種データを記憶する。
モデル記憶部１８１は、接触模擬のモデルとして鉄道車両のモデルおよび鉄道構造物のモデルを記憶する。鉄道車両と鉄道構造物との接触判定のために、モデル記憶部１８１の記憶する鉄道車両のモデルには、接触検知点が設定される。

図２は、接触検知点の例を示す説明図である。同図において、ｘ軸は線路方向（鉄道車両の進行方向）を示し、ｙは、線路直角方向を示し、ｚ方向は鉛直上方向を示す。ここでいう線路直角方向とは、線路方向に対して直角方向かつ水平方向である。
図２には、車体のマルチボディモデルの例が示されており、点Ｇは、マルチボディモデルにおける車体の重心を示す。ここでいうマルチボディモデルとは、マルチボディダイナミクス（Multi Body Dynamics；ＭＢＤ）のモデルである。

車両の構成要素である車体や台車や輪軸に対して、接触の可能性のある代表位置にｎ個の接触検知点Ｃ_ｉ（ｉは、１≦ｉ≦ｎの整数）を配置する。例えば、ユーザが三次元ＣＧ（コンピュータグラフィクス）等を用いて接触可能性のある部分を検出し、検出した接触可能性のある部分に接触検知点を設定する。図２の例では、車体の、進行方向に向かって右下のコーナー部分に線路構造物との接触可能性があり、当該部分に接触検知点Ｃ_１〜Ｃ_４が配置されている。

接触検知点の数が多いほど、接触模擬の精度が高くなる。一方、接触検知点の数が少ないほど、接触判定部１９４による接触判定の負荷は軽くて済む。従って、ユーザは、必要な模擬精度およびシミュレーション装置１００の処理能力に基づいて、設定する接触検知点の数を決めることができる。
モデル記憶部１８１は、接触検知点の位置を、例えば、当該接触検知点が従属するマルチボディの重心点（点Ｇ）に対する相対位置にて記憶する。

なお、線路方向（鉄道車両の進行方向）については接触判定の対象から除外するようにしてもよい。特に、シミュレーション装置１００が、極端な正面衝突問題を取り扱わないようにしてもよい。これにより構成則を限定し、効率的な解析が可能となる。
この場合、鉄道車両の正面には接触検知点を設けない。線路方向の衝突に関しては、車両は等速運動を行うものとして、線路構造物側の反力のみ取り扱う。

接触検知点の各々には、分担領域が割り当てられる。ここでいう分担領域とは、鉄道車両における接触候補部分を分割した領域である。また、分担領域の面積を分担面積と称する。
図３は、分担領域の例を示す説明図である。同図において、接触候補部分（線路構造物との接触可能性のある部分）を示す領域Ａが、接触検知点Ｃ_１〜Ｃ_４に応じて分担領域Ａ_１〜Ａ_４に分割されている。接触検知点Ｃ_１〜Ｃ_４は、それぞれ、分担領域Ａ_１〜Ａ_４における接触力を受ける代表点として扱われる。
なお、分担領域の形状は図３に示す正方形に限らない。分担領域は、接触候補部分を隙間なく分割するものであればよく、様々な形状とすることができる。

図４は、分担領域毎の食い込み量の分担例を示すグラフである。同図の横軸には、分担領域Ａ_１〜Ａ_ｍが示されている。分担領域は２次元の領域であるが、便宜的に図４では１次元で分担領域を示している。また、図４のグラフの縦軸は、位置を示す。
また、線Ｌ１１は車体の輪郭位置を示し、線Ｌ１２は、線路構造物の輪郭位置を示している。線Ｌ１１と線Ｌ１２とに囲まれた領域Ａ１１は、車体と線路構造物との仮想食い込み部分を示している。例えば、線路構造物が変形せずに車体がへこんだ場合、仮想食い込み部分（領域Ａ１１）の分だけ、線路構造物が車体に食い込む。

δ_１〜δ_ｍは、それぞれ、分担領域Ａ_１〜Ａ_ｍにおける仮想食い込み量を示す。分担領域Ａ_ｉにおける仮想食い込み量は、例えば、当該分担領域Ａ_ｉを分担する接触検知点Ｃ_ｉから線路構造物の輪郭までの距離として算出される。
また、分担領域Ａ_ｉにおける接触力は、仮想食い込み量δ_ｉに基づいて接触力算出部１９５が算出する。例えば、車両側と線路構造物側との接触素材の組み合わせ毎に仮想食い込み量と接触力との関係が予め設定されており、接触力算出部１９５は、当該関係に基づいて、仮想食い込み量δ_ｉから接触力Ｆ_ｉを算出する。

図５は、仮想食い込み量と接触力との関係の第１例を示すグラフである。同図の横軸は仮想食い込み量を示し、縦軸は接触力を示す。また、図５において仮想食い込み量と接触力との関係が、マルチリニア定義（複数の線分の繋ぎ合わせによる定義）により区分的に設定されている。
図５では剛性硬化型の関係が示されている。具体的には、仮想食い込み量δ_ｉが大きくなるほど接触力Ｆ_ｉが大きくなり、かつ、接触力Ｆ_ｉが大きくなる度合いも大きくなっている。

図６は、仮想食い込み量と接触力との関係の第２例を示すグラフである。図５の場合と同様、図６の横軸は仮想食い込み量を示し、縦軸は接触力を示す。また、図５の場合と同様、図６において仮想食い込み量と接触力との関係が、マルチリニア定義により区分的に設定されている。
図６では正勾配の剛性低減型の関係が示されている。具体的には、仮想食い込み量δ_ｉが大きくなるほど接触力Ｆ_ｉが大きくなっているが、接触力Ｆ_ｉが大きくなる度合いは小さくなっている。

図７は、仮想食い込み量と接触力との関係の第３例を示すグラフである。図５の場合と同様、図７の横軸は仮想食い込み量を示し、縦軸は接触力を示す。また、図５の場合と同様、図７において仮想食い込み量と接触力との関係が、マルチリニア定義により区分的に設定されている。
図７では負勾配の剛性低減型の関係が示されている。具体的には、仮想食い込み量δ_ｉがδ_ａより小さい場合は、仮想食い込み量δ_ｉが大きくなるほど接触力Ｆ_ｉが大きくなっているが、仮想食い込み量δ_ｉがδ_ａ以上である場合は、仮想食い込み量δ_ｉが大きくなるほど接触力Ｆ_ｉが小さくなっている。

なお、図５〜図７に例示したδ−Ｆの関係は、接触材料間の弾塑性や、局部座屈や、表面破損などの非線形挙動を１つの関係として平均的に示す。これらの関係は、例えば、実験（静的接触試験）またはＦＥＭ解析（静的接触解析）によって予め得られ、接触力算出部１９５が予め記憶しておく。
接触部分全体の接触力は、各分担領域における接触力の合計として算出される。具体的には、接触力算出部１９５は、式（１）に基づいて、接触部分を分割した各分担領域における接触力を合計して、接触部分全体の接触力Ｆを算出する。

但し、δ_ｉは、分担領域Ａ_ｉにおける仮想食い込み量を示し、Ｆ_ｉ（δ_ｉ）は、分担領域Ａ_ｉにおける接触力を示す。

また、モデル記憶部１８１が記憶するモデルにおいて、線路構造物側の接触面は、レールの場合とその他の構造物の場合とで異なる。レールは、構造が定まっており、同一構造が続くため有限要素法のモデルにおいて定形の接触面を定義する。より具体的には、レールの上面側の接触面と両側面側の接触面とを直交させて構成する。レールの下面は地面に接しており鉄道車両とは接触しないので、接触面を設定しない。

レール以外の構造物は、有限要素法における格子点を用いて接触面を定義する。
図８は、接触面の設定例を示す説明図である。同図は、レールの外側にレールに沿って設けられた逸脱防止ガードのモデルに対する接触面の設定例を示しており、Ｘ軸は線路方向（列車進行方向）を示し、Ｚ軸は鉛直上方向を示す。
図８において、線路構造物の表面に、点Ｅ１〜Ｅ４等のように有限要素法における格子点が設定されている。また、線Ｌ２１は、接触面の上限を示しており、線Ｌ２２は、接触面の下限を示している。線Ｌ２１、Ｌ２２ともに、有限要素法の格子点を通って設定されている。以下では、線Ｌ２１やＬ２２のように、接触面の上下限を表す線を「接触ライン」と称する。

線路構造物の接触面は、上限の接触ラインが通過する２点の格子点および下限の接触ラインが通過する２点の格子点を結んで構成される面にて定義される。例えば、図８において、点Ｅ１を接触面の原点としてベクトルＥ１Ｅ２と、ベクトルＥ２Ｅ４と、ベクトルＥ１Ｅ３と、ベクトルＥ１Ｅ４とで囲まれる面が１つの接触面Γ１を構成する。同様に、接触面Γ２、Γ３、・・・が設定されている。
線路構造物の表面は平面に限らず、４つの格子点が同一平面に含まれるとは限らないため、接触面は、双１次曲面となる。

トリガ記憶部１８２は、判定トリガの値を記憶する。判定トリガは、鉄道車両に設定された接触検知点と、線路構造物に設定された接触面との組み合わせについて、接触判定を行うか否かを切り替えるスイッチとして機能する。判定トリガは、接触判定部１９４が行う接触判定の負荷を低減させるために設けられる。

図９は、トリガ記憶部１８２の記憶する判定トリガの例を示す説明図である。同図において、鉄道車両側の要素（車体、台車、輪軸）と、線路構造物側の要素（レール以外の線路構造物、レール）との組み合わせ毎に、接触判定の対象となるためのトリガが示されている。
例えば、車体とレール以外の線路構造物との組み合わせの場合、トリガは、常に接触判定の対象となることを示す「常時ＯＮ」となっている。非脱線状態でも地震の揺れ等で車体が下路桁やトンネルや高欄に接触する可能性があるためである。

また、車体とレールとの組み合わせの場合、脱線しない状態では車体は車輪等に支えられてレールに接することはないため、当該車両の輪軸が１以上脱線した場合に、接触判定の対象になる。なお、想定接触対象の空欄は、特定の対象が想定されるものではないことを示している。
また、台車とレール以外の線路構造物との組み合わせ、および、台車とレールとの組み合わせのいずれも、当該台車の輪軸が１以上脱線した場合に、接触判定の対象になる。
また、輪軸とレール以外の線路構造物との組み合わせ、および、輪軸とレールとの組み合わせのいずれも、当該輪軸が脱線した場合に、接触判定の対象になる。

接触判定テーブル記憶部１８３は、接触判定の結果を記憶する。具体的には、接触判定テーブル記憶部１８３は、鉄道車両に設定された接触検知点の各々と、線路構造物に設定された接触面の各々との組み合わせについて、接触の有無および接触力を記憶する。
以下では、接触判定テーブル記憶部１８３が接触判定の結果表形式で記憶する場合を例に説明するが、接触判定テーブル記憶部１８３が接触判定の結果を記憶するデータ形式および構造は、以下に説明するものに限らない。

図１０は、接触判定テーブル記憶部１８３が記憶する接触状態テーブルの例を示す説明図である。
同図の例において、接触判定テーブル記憶部１８３は、鉄道車両に設定された接触検知点と線路構造物に設定された接触面との組み合わせの各々について、番号と、接触検知点ＩＤと、接触面ＩＤと、接触状態ＫＥＹと、接触力との組み合わせを含む接触状態テーブルを記憶している。

番号欄には、接触状態テーブルの行を識別する通番が格納される。
接触検知点ＩＤは、接触検知点を識別する識別情報である。例えば、図２におけるＣ_１〜Ｃ_４が、接触検知点ＩＤの例に該当する。
接触面ＩＤは、接触面を識別する識別情報である。例えば、図８におけるΓ１、Γ２、Γ３、・・・が接触面ＩＤの例に該当する。

モード欄に格納されるモードは、接触面について接触判定対象の該否を示す。
ここで、線路構造物は一般に複数の面を有し、複数の面について接触判定を行う必要がある場合が考えられる。例えば、車輪が逸脱防止ガードの側面に接触する場合があるのに加え、車輪が逸脱防止ガードに乗り上げた状態では、当該車輪は逸脱防止ガードの上面に接触する。
このように、線路構造物の複数の面について接触判定を行う必要がある場合、これら複数の面に対応する複数の接触面を纏めた接触面グループを予め設定しておく。そして、いずれかの接触面について接触を検出した場合は、「接触検知点は同時には１面にのみ接触する」という前提のもとに、対象面設定部１９６が他の接触面を判定対象から除外する。

図１１は、接触面グループの例を示す説明図である。
同図において線路構造物の上面および２つの側面の３面に対応して３つの接触面Γ１、Γ２、Γ３が設定されている。なお、下側は地面であり、接触検知点が下側から接触することはないため、接触面は設定されていない。
時刻ｔにおいて、接触検知点Ｃは接触面Γ１の外側にあり非接触の状態から、時刻ｔ＋Δｔにおいて、接触検知点Ｃが接触面Γ１に接触した場合、対象面設定部１９６は、次に接触検知点Ｃが接触面Γ１と非接触になるまで、接触面Γ２およびΓ３を接触判定対象から除外する。
対象面設定部１９６は、接触判定から除外する接触面のモード欄に、除外を示す値（例えば「０」）を書き込む。一方、対象面設定部１９６は、除外を解除する接触面のモード欄に、除外しないことを示す値（例えば「１」）を書き込む。

接触状態ＫＥＹは、接触の有無を示す。接触状態ＫＥＹは、接触を示す「１」、非接触を示す「−１」、判定対象からの除外を示す「０」のいずれかの値をとる。
図１２は、接触状態ＫＥＹの値が１（接触）となる例を示す説明図である。同図では、接触検知点Ｃが接触面Γを通過して線路構造物の外側から内側へと移動する例が５通り示されている。

このように、接触検知点Ｃが接触面Γを通過して線路構造物の外側から内側へと移動した場合、接触判定部１９４は、接触検知点Ｃと接触面Γとが接触していると判定する。そして、接触判定部１９４は、接触状態テーブルにおいて、該当行の接触状態ＫＥＹの値を「１」にする。また、接触と判定されている接触検知点と接触面との組み合わせについて、接触力算出部１９５が、接触力を算出し、接触状態テーブルの該当行の接触力欄に書き込む。

図１３は、接触状態ＫＥＹの値が０（除外）となる例を示す説明図である。同図では、接触検知点Ｃが線路構造物の内部に位置するが、接触面Γを通過していない例が２通り示されている。
このように、接触検知点Ｃが接触面Γを通過せずに線路構造物の内部に位置している場合、接触判定部１９４は、接触検知点Ｃと接触面Γとを判定対象から除外する。そして、接触判定部１９４は、接触状態テーブルにおいて、該当行の接触状態ＫＥＹの値を「０」にする。

図１４は、接触状態ＫＥＹの値が−１（非接触）となる例を示す説明図である。同図では、接触検知点Ｃが線路構造物の外部に位置する例が７通り示されている。
接触検知点Ｃが接触面Γを通過する場合も通過しない場合も、接触検知点Ｃが線路構造物の外側に位置している場合は、接触判定部１９４は、当該接触検知点Ｃと接触面Γとが非接触であると判定する。特に、接触検知点Ｃと接触面Γとが接触または除外から非接触へと変化した場合、接触判定部１９４は、接触状態テーブルにおける該当行の接触状態ＫＥＹの値を−１にする。そして、非接触と判定されている接触検知点と接触面との組み合わせについて、接触力算出部１９５は、接触状態テーブルの該当行の接触力欄に接触力０を書き込む。
サンプリング時間Δｔが０．００１秒以下と充分小さい場合、本手法で充分な精度を期待できる。

制御部１９０は、シミュレーション装置１００の各部を制御して各種機能を実行する。制御部１９０は、例えば、シミュレーション装置１００の具備するＣＰＵ（Central Processing Unit、中央処理装置）が、記憶部１８０からプログラムを読み出して実行することで実現される。
入力処理部１９１は、操作入力部１１０の受け付けるユーザ操作を検出する。特に、入力処理部１９１は、操作入力部１１０が受け付ける、模擬対象の鉄道車両のモデルや鉄道構造物のモデルの設定操作や、模擬条件の設定操作を検出する。

表示制御部１９２は、表示部１２０を制御して各種画像を表示させる。特に、表示制御部１９２は、接触模擬の結果を表示部１２０に表示させる。
モデル設定部１９３は、操作入力部１１０が受け付けるモデルの設定操作に基づいて、鉄道車両のモデルや線路構造物のモデルを設定する。特に、モデル設定部１９３は、鉄道車両のユーザ操作にて指定される部分に、接触検知点を設定する。また、モデル設定部１９３は、有限要素法における格子に基づいて、線路構造物に接触面を設定する。

接触判定部１９４は、接触検知点と接触面との組み合わせについて接触判定を行う。すなわち、接触判定部１９４は、車両を模擬する点と、構造物を模擬する面との接触の有無の判定を行う。
具体的には、接触判定部１９４は、接触検知点と接触面との組み合わせについて、図１２〜図１４を参照して説明したように、接触、非接触、除外の判定を行う。すなわち、接触判定部１９４は、車両を模擬する点が構造物を模擬する面を通過したか否かに基づいて接触の有無を判定する。

接触力算出部１９５は、図５〜図７を参照して説明したように、接触力を算出する。すなわち、車両における接触候補部分を分割した領域毎に車両を模擬する点が設定され、接触力算出部１９５は、各点における接触力を合計して接触部分全体にかかる接触力を算出する。
対象面設定部１９６は、図１１を参照して説明したように、グループ化されている接触面のいずれかについて接触判定部１９４が接触を検出した場合は、他の接触面を判定対象から除外する。すなわち、接触判定部１９４が、複数の面を有する構造物のいずれかの面と車両との接触有りと判定した場合、対象面設定部１９６は、当該構造物の他の面を接触判定の対象から除外する。

力学解析部１９７は、接触判定部１９４の判定結果に基づいて、鉄道車両の挙動と、鉄道車両にかかる力と、線路構造物にかかる力とを算出する。より具体的には、力学解析部１９７は、接触力算出部１９５が算出した接触力に基づいて、鉄道車両の挙動と、鉄道車両にかかる力と、線路構造物にかかる力とを算出する。
例えば、力学解析部１９７は、マルチボディダイナミクスや有限要素法（Finite Element Method；ＦＥＭ）を用いて解析を行う。力学解析部１９７が用いるマルチボディダイナミクスや有限要素法のアルゴリズムには、公知のアルゴリズムを用いることができる。

次に、図１５を参照してシミュレーション装置１００の動作について説明する。図１５は、シミュレーション装置１００が接触判定を行って鉄道車両の挙動等を算出する処理手順を示す説明図である。
同図の処理において、モデル設定部１９３は、鉄道車両のモデルおよび路線構造物のモデルを設定する（ステップＳ１０１）。
そして、モデル設定部１９３は、鉄道車両のモデルに接触検知点を設定する（ステップＳ１０２）。さらに、モデル設定部１９３は、線路構造物のモデルに接触面を設定する（ステップＳ１０３）。

次に、制御部１９０は、解析対象の時間についてサンプリング時間毎に処理を行うループＬ１１１の処理を開始する（ステップＳ１１１）。さらに、制御部１９０は、接触検知点と接触面との組み合わせの各々について処理を行う、ループＬ１１２の処理を開始する（ステップＳ１２１）。

次に、接触判定部１９４は、ループＬ１１２の処理対象となっている接触検知点と接触面との組み合わせについて、トリガとモードとのいずれも接触判定対象であることを示す値か否かを判定する（ステップＳ１２２）。
いずれも接触判定対象であることを示す値になっていると判定した場合（ステップＳ１２２：ＹＥＳ）、接触判定部１９４が接触判定を行う（ステップＳ１２３）。

そして、接触力算出部１９５は、接触判定の結果に基づいて接触力を算出する（ステップＳ１２４）。具体的には、接触力算出部１９５は、接触判定部１９４が接触ありと判定した場合は、図４〜図７を参照して説明したように、食い込み量に基づいて接触力を算出する。一方、接触判定部１９４が接触なしと判定した場合、接触力算出部１９５は、接触力を０と算出する。

次に、対象面設定部１９６は、ループＬ１１２の処理対象となっている接触面と同一グループの接触面について、モード設定を行う（ステップＳ１２５）。具体的には、接触判定部１９４が接触ありと判定した場合、対象面設定部１９６は、同一グループの接触面を、接触判定対象から除外するモードとする。一方、接触判定部１９４が接触なしと判定した場合、対象面設定部１９６は、同一グループの接触面を、接触判定対象を行うモードとする。

次に、制御部１９０は、ループＬ１１２の終了判定を行う（ステップＳ１２６）。具体的には、制御部１９０は、ループＬ１１２の処理を、対象となる接触検知点と接触面との組み合わせ全てについて行ったか否かを判定する。未処理の対象があると判定した場合は、ステップＳ１２１へ戻って処理を続行する。
一方、全ての対象ついて処理を行ったと判定した場合、接触力算出部１９５が、ステップＳ１２４にて求めた接触力を合計して接触部分の接触力を算出し、力学解析モデルにおけるばね力に設定する（ステップＳ１３１）。

次に、力学解析部１９７は、力学解析を行って鉄道車両の挙動や、鉄道車両にかかる力や、線路構造物にかかる力を算出する（ステップＳ１３２）。
そして、力学解析部１９７は、図９を参照して説明した基準に基づいて、トリガ記憶部１８２の記憶しているトリガを設定（更新）する（ステップＳ１３３）。

次に、制御部１９０は、ループＬ１１１の終了判定を行う（ステップＳ１３４）。具体的には、制御部１９０は、ループＬ１１１の処理を、解析対象時間の最後まで行ったか否かを判定する。未処理の対象があると判定した場合は、ステップＳ１１１へ戻って処理を続行する。
一方、全ての対象ついて処理を行ったと判定した場合、表示部１２０が解析結果（例えば、鉄道車両の挙動や、鉄道車両にかかる力や、鉄道構造物にかかる力）を表示する（ステップＳ１４１）。
ステップＳ１４１の後図１５の処理を終了する。

以上のように、接触判定部１９４は、車両を模擬する点（接触検知点）と、構造物を模擬する面（接触面）との接触の有無の判定を行う。
このように、接触判定部１９４は、点と面との組み合わせを用いて接触判定を行うので、接触点が接触候補面を通過したか否か判定するなど、簡単な処理で接触の有無を判定することができる。これにより、シミュレーション装置１００は、形状が一意でない構造物と車両との接触を過大な負荷とならずに模擬できる。

また、接触判定部１９４が、複数の面を有する構造物のいずれかの面と車両との接触有りと判定した場合、対象面設定部１９６は、当該構造物の他の面を接触判定の対象から除外する。
これにより、接触判定部１９４が接触判定を行う対象を減らすことができ、接触判定部１９４の負荷の低減や、処理時間の短縮を図ることができる。

また、鉄道車両における接触候補部分を分割した分担領域毎に接触車両を模擬する接触検知点が設定され、接触力算出部１９５は、各接触検知点における接触力を合計して接触部分全体にかかる接触力を算出する。
これにより、接触検知点は、分担領域毎に設定された食い込み量と接触力との関係に基づいて、比較的簡単に分担領域毎の接触力を算出することができ、分担領域毎の面席を合計することで容易に接触部分全体の接触力を算出することができる。

なお、シミュレーション装置１００の全部または一部の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより各部の処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。
また、「コンピュータシステム」は、ＷＷＷシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）も含むものとする。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであっても良い。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

１００シミュレーション装置
１１０操作入力部
１２０表示部
１８０記憶部
１８１モデル記憶部
１８２トリガ記憶部
１８３接触判定テーブル記憶部
１９０制御部
１９１入力処理部
１９２表示制御部
１９３モデル設定部
１９４接触判定部
１９５接触力算出部
１９６対象面設定部
１９７力学解析部

Claims

車両を模擬する点と、構造物を模擬する面との接触の有無の判定を行う接触判定部と、
前記接触判定部の判定結果に基づいて、前記車両の挙動と、前記車両にかかる力と、前記構造物にかかる力とを算出する力学解析部と、
を具備するシミュレーション装置。
前記接触判定部が、複数の面を有する前記構造物のいずれかの面と前記車両との接触有りと判定した場合、当該構造物の他の面を接触判定の対象から除外する対象面設定部を具備する、請求項１に記載のシミュレーション装置。
前記車両における接触候補部分を分割した領域毎に前記車両を模擬する点が設定され、
前記シミュレーション装置は、各点における接触力を合計して接触部分全体にかかる接触力を算出する接触力算出部を具備し、
前記力学解析部は、前記接触力算出部が算出した接触力に基づいて、前記車両の挙動と、前記車両にかかる力と、前記構造物にかかる力とを算出する、
請求項１または請求項２に記載のシミュレーション装置。
車両を模擬する点と、構造物を模擬する面との接触の有無の判定を行う接触判定ステップと、
前記接触判定ステップでの判定結果に基づいて、前記車両の挙動と、前記車両にかかる力と、前記構造物にかかる力とを算出する力学解析ステップと、
を有するシミュレーション方法。
コンピュータに、
車両を模擬する点と、構造物を模擬する面との接触の有無の判定を行う接触判定ステップと、
前記接触判定ステップでの判定結果に基づいて、前記車両の挙動と、前記車両にかかる力と、前記構造物にかかる力とを算出する力学解析ステップと、
を実行させるためのプログラム。