JP3844701B2 - Structure element and structure structure using the same - Google Patents

Structure element and structure structure using the same Download PDF

Info

Publication number
JP3844701B2
JP3844701B2 JP2002042772A JP2002042772A JP3844701B2 JP 3844701 B2 JP3844701 B2 JP 3844701B2 JP 2002042772 A JP2002042772 A JP 2002042772A JP 2002042772 A JP2002042772 A JP 2002042772A JP 3844701 B2 JP3844701 B2 JP 3844701B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
outer plate
plate
bone
members
edge
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2002042772A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2003112622A (en
Inventor
真 田口
利行 平嶋
誠一郎 矢木
晃一 松本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kawasaki Motors Ltd
Original Assignee
Kawasaki Jukogyo KK
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kawasaki Jukogyo KK filed Critical Kawasaki Jukogyo KK
Priority to JP2002042772A priority Critical patent/JP3844701B2/en
Publication of JP2003112622A publication Critical patent/JP2003112622A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3844701B2 publication Critical patent/JP3844701B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T30/00Transportation of goods or passengers via railways, e.g. energy recovery or reducing air resistance

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、構造要素及びそれを用いた構体構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の鉄道車両の側構体の外板は、図50〜図52に示すように構成されている。すなわち、外板101(側構体)に窓開口部102が形成され、その両側に戸袋部107,108及びドア開口部103,104が一定間隔を存して設けられている。戸袋部107,108には、上下方向に延びる断面ほぼコ字形状の突部105a,105aを有する補強部材105A,105Bが溶接により固着されている。そして、前記第1の補強部材105A,105Bと窓開口部102との間であって上側部分(窓開口部102の高さにほぼ対応する上側部分)にも、上下方向に延びる断面ほぼコ字形状の突部105b,105bを有する第2の補強部材105C,105Dが設けられている。
【0003】
また、前記第1の補強部材105A,105Bの間であって窓開口部102の下側には、前後方向に延びる3つの断面ほぼハット形状の第3の補強部材105E〜105Gが平行に設けられている。窓開口部102の下側においては、上下方向に延びる2つの断面ほぼZ字形状の第4の補強部材106A,106Bが、前記第3の補強部材105E〜105Gに直交するように設けられている。前記窓開口部102の両側にも、上下方向に延び前記第4の補強部材106A,106Bよりも高さが高い断面ほぼZ字形状の骨部材である側柱106C,106Dが設けられている。前記第3の補強部材105E〜105Gの上側であって窓開口部102の下側にも断面ほぼZ字形状の第5の補強部材106Eが車体前後方向に延びるように設けられている。また、ドア開口部103,104の両側にも、上下方向に延びる断面ほぼZ字形状の骨部材である入口柱106F,106Gが設けられている。
【0004】
よって、窓開口部102の両側に形成される戸袋部107,108及びドア開口部103,104それぞれの境界に外板101に溶接で取り付けられた側柱106C,106D及び入口柱106F,106Gが形成されていることになる。
【0005】
これは、これらの側柱や入口柱といった骨部材によって側構体全体の形状が保持されるとともに、多数の補強部材によって骨部材間の外板の形状が保持される構造である。
【0006】
このように、多数の補強部材105A〜105G,106A,106B,106Eを外板101に溶接するのは、車両の構体において、外板の座屈強度を確保するためであり、この点については、いろいろな構造が提案されている。
(1)例えば特開昭61−220962号公報には、客電車の側構体の構造として、側外板の内側に、凹凸部が形成された補強板を溶接し、補強板と側外板との間の空間に芯材を充填した構造が提案されている。
(2)例えば特許第3015020号公報には、ステンレス製のダブルスキンパネルを用いた側構体の構造であり、外板と内板とが共に荷重を受け持つ構造が提案されている。この構造では、外板と内板とはほぼ同じ板厚で、同じ材料であり、芯材にステンレス鋼の曲げ板を用いている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
前記特開昭61−220962号公報に記載の構造は、側外板の補強が必要な領域ごとにその領域の寸法に合わせて補強板を各種製作することになるが、補強板に凹凸部を形成しているので、加工が面倒である。また、側外板と補強板との間の溶接量も従来の骨皮構造と変わらないため、溶接歪みの低減の効果がない。さらに、充填材(芯材)を充填する場合、その充填材の施工時の発泡圧力に耐えるために、補強板にある程度の板厚が必要であり、補強板と芯材との重量が、従来の座屈補強構造の重量より重くなる。
【0008】
また、特許第3015020号公報に記載の技術では、外板だけでなく、内板にも荷重が入力される構造であるので、内板は、外板とはほぼ同じ板厚で、同じ材料(高強度部材)を用いており、さらにステンレス鋼の曲げ板を芯材として用いているので、重量が増加する。特に、構体構造を構成する際のパネル間の結合は内板にも荷重を入力するために外板だけでなく、内板同士を結合する必要があり、結合構造が複雑になる。また、外板と内板との間の容積を、断熱や配線、配管などに有効利用することができない。
【0009】
この発明は、補強部材の部材数の減少による重量の低減、溶接量の減少による溶接工数及び溶接ひずみの低減を達成することができる構造要素及びそれを用いた構体構造を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明は、構造材である外板と、前記外板より狭い面積の複数の内板と、前記外板と前記各内板との間に位置する前記外板と前記各内板と一体化した複数の縁材と、前記外板と、複数の内板及び縁材とによって構成される複数の閉鎖空間を満たす複数の芯材とからなり、前記各芯材は、前記外板と前記各内板の間にあって少なくともその両者に接着あるいは融着で合体され、他の構造材と一体化して鉄道車両用側構体をなすための構造要素であって、前記外板は、ステンレス鋼からなる一方、前記各内板は、繊維強化プラスチック、アルミニウム合金又は前記外板の板厚の1/3以下の板厚を有するステンレス鋼からなり、互いに独立していることを特徴とする。このように、内板として軽量材料(繊維強化プラスチック、アルミニウム合金又は前記外板の板厚の1/3以下の板厚を有するステンレス鋼)を用いることができるのは、隣り合う内板同士は構造的に結合されていないために、鉄道車両用側構体が受ける荷重のほとんどは外板が伝達することになり、内板
には前記荷重が作用しないからである。
【0011】
請求項1の発明によれば、外板と内板を結合する縁材が前記内板の周縁に沿って設けられ、前記外板、内板及び縁材によって囲まれる閉鎖空間が芯材(弾性芯材)で満たされることで、前記外板が弾性支承される。このように弾性支承することで、外板の座屈強度が確保され、部材の数の減少、溶接量の減少、溶接ひずみの減少が実現される。
また、軽量材料(繊維強化プラスチック、アルミニウム合金又は前記外板の板厚の1/3以下の板厚を有するステンレス鋼)を用いて内板を構成するため、構造全体の軽量化を図る上で有利である。
【0012】
請求項2に記載のように、前記芯材は、断熱材として機能する発泡プラスチック又は木材とすることができる。
【0013】
発泡プラスチックや木材は、密度が低いので、縁材のピッチと芯材の板厚及び密度とを適切に選択することによって、構造の簡略化及び軽量化が無理なく図れる。特に、芯材に断熱材として機能する発泡プラスチックを用いれば、複雑な構造とすることなく、外板の内側に形成される閉鎖空間を有効に活用して断熱効果が得られる。
【0016】
さらに、構造の簡略化及び軽量化をさらに図るために、請求項3に記載のように、前記縁材を、繊維強化プラスチック、アルミニウム合金又は前記外板より薄いステンレス鋼からなるようにすることができる。
【0017】
さらに、前記構造要素を用いて鉄道車両用側構体を構成する場合には、請求項4に記載のように、前記鉄道車両用側構体を構成する請求項1記載の構造要素と、前記鉄道車両用側構体を構成する骨部材を縦横に配置し一体化した骨要素とからなり、前記構造要素のうち内板のある部分を、前記骨要素の開口している部分に位置させる構成とすればよい。
【0018】
その場合には、請求項5に記載のように、前記骨要素の開口部分(骨部材が設けられていない部分)の一部を、前記構造要素で覆わずに窓用開口部としたり、請求項6に記載のように、前記骨要素の開口部分の一部を、前記構造要素で覆わずに出入り口用開口部としたりすることができる。
【0019】
また、請求項7に記載のように、前記構造要素の外板に、凸状に外方に突出するように折れ曲がった部位が形成されている場合に、その折れ曲がった部位を境として、前記芯材、縁材及び内板からなる前記構造要素(後述の区画に対応)がそれぞれ独立して設けられている構成とすることも可能である。
【0020】
このようにすれば、外板の折れ曲がった部位を境として、芯材を分割することで、そのように折れ曲がった芯材、縁材や内板を用いることなく、平板状の芯材、内板及び直線的な縁材を用いて構成することができ、構造を複雑とすることがない。
【0021】
請求項8に記載のように、隣り合う互いに平行な前記骨要素の骨部材と前記構造要素の縁材との間隔bが、次の関係式(1)を満足することが望ましい。
【0022】
【数3】

Figure 0003844701
このようにすれば、前記骨要素の骨部材と前記構造要素の縁材との間には、前記構造要素の外板のみが存在するが、その外板において骨部材と平行方向についての必要な座屈強度が確保される。
【0023】
また、外板の圧縮応力の向きが骨部材と直交する場合、請求項9に記載のように、隣り合う互いに平行な前記骨要素の骨部材と前記構造要素の縁材との間隔bが、次の関係式(2)を満足することが望ましい。
【0024】
【数4】
Figure 0003844701
このようにすれば、前記骨要素の骨部材と前記構造要素の縁材との間に存在する外板において、骨部材と直交する方向についての必要な座屈強度が確保される。
【0025】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に沿って説明する。
【0026】
図1(a)(b)は本発明に係る構造要素を示す説明図である。
【0027】
本発明に係る構造要素は、例えば図1(a)に示すように、前後方向及び上下方向に延び鉄道車両の外面を構成する外板1の内面側に、矩形状の芯材2が接着により取り付けられている。その芯材2の周囲の部分は、外板1と内板4とを結合する縁材3によって保持されている。そして、芯材2を覆うように内板4が前記芯材2に接着により取り付けられている。ここで、Pは縁材ピッチである。
【0028】
これにより、外板1は、芯材2にて弾性支承されるので、外板1の座屈強度が確保される。また、従来構造に必要な座屈止め補強を廃止することができるため、部材数の減少、溶接量、溶接ひずみの低減を実現できる。
【0029】
前記芯材2としては、構造材としては柔らかい材料である断熱材などを使用することができる。芯材2の厚さは、必要とされる断熱性能を満足するように決定される。具体的には、芯材としては、例えばウレタンフォーム、塩化ビニル樹脂フォーム(商品名:クレゲセル)、ポリエチレンフォーム、フェノールフォームなどの発泡プラスチックを用いることができる。
【0030】
特に、芯材2として発泡プラスチックを用いれば、外板1を構成するステンレス鋼板に比べて比重が1/20〜1/80以下である。このように、非常に軽量であるので、縁材3のピッチPと、芯材2の板厚L1及び密度とを適切に選択することで、軽量化を図る上で有利な構造となる。
【0031】
前記縁材3は、板材(ステンレス鋼)を折り曲げて構成され、それぞれ外板1の内面1a(車室側の面)に溶接により固着される取付部3aと、この取付部3aの内周縁部よりほぼ鉛直内方に延びる縦壁部3bと、この縦壁部3bの先端縁より前記取付部3aと平行にかつ前記取付部3aと反対方向に延び前記芯材2のみ、又は芯材2と内板4とを同時に前記外板1側に押さえ付ける保持部3cとを有する。
【0032】
なお、前記縁材3の取付部3aは、必ずしも溶接により外板1の内面1aに固着する必要はなく、接着により取り付けることも可能である。
【0033】
次に、芯材のヤング率が外板の座屈強度にいかに影響するかを見るために、前記図1(a)(b)に示す構造は、外板1を梁11と、縁材3(補強部材)を支点12A,12Bと、芯材2を複数のばね13とそれぞれみなすことで、図2に示すように、弾性支承系としてモデル化する。
【0034】
ただし、このモデル化においては、内板は芯材に対して十分高い剛性があるものとして、バネ13を剛に支持している。
【0035】
図2に示すモデル化された弾性支承系における梁11の支配方程式は、次に示す式(3)の通りである。
【0036】
【数5】
Figure 0003844701
図1に示す構造において、芯材2のヤング率をE1、芯材2の有効深さ(厚さ)をL1(図1参照)とすれば、芯材2の単位面積当たりのばね定数kは、次の式(4)に示すようになる。
【0037】
【数6】
Figure 0003844701
ここで、円筒体の対称変形の場合の基礎方程式は、次の式(5)に示す通りであり、式(1)と同じ形で表される。
【0038】
【数7】
Figure 0003844701
ここで、前記式(5)におけるD(板の曲げ剛性)は、次の式(6)にて求められる。
【0039】
【数8】
Figure 0003844701
ところで、式(3)と式(5)は等価とみなせるので、両式の右辺より、以下の関係が導ける。
【0040】
【数9】
Figure 0003844701
これにより、弾性支承系における梁11を、前記円筒体とみなした場合のその等価半径rが、次の式(8)のように求まる。
【0041】
【数10】
Figure 0003844701
円筒体の軸圧縮座屈応力σcrは次の式(9)で求まることが知られている。
【0042】
【数11】
Figure 0003844701
この式(9)の等価半径rとは、式(8)に示すように、弾性支承系のバネ定数kによって表すことができる。そして、式(8)を式(9)に代入することにより、次のように計算される。
【0043】
【数12】
Figure 0003844701
よって、弾性支承系における座屈応力σcrは、弾性支承系のバネ定数kの平方根に比例する。
【0044】
ところで、通常、鉄道車両の側構体の必要な座屈強度は、最大で15kgf/mm2 程度であることを考えると、弾性支承系のばね定数kは、
【0045】
【数13】
Figure 0003844701
に示す通り、0.02kgf/mmとなる。
【0046】
さらに、芯材のヤング率E1は、芯材の厚さL1を30mmとした場合、
Figure 0003844701
となり、前記発泡プラスチックは、それのヤング率が約1kgf/mm2 であるかあるいはそれ以上であることから、断熱材などに用いられる発泡プラスチックが芯材として適用可能である。
【0047】
この点を利用して、図1(a)(b)に示すような基本構造を有する本発明に係る構体構造を、座屈強度が必要とされる部分に用いることで、簡単な構造でもって座屈強度を高めることができることがわかる。
【0048】
続いて、内板や縁材の剛性を考察するために、表1の各構造要素について、鉄道車両の構体に作用する応力を解析する手法として知られている、有限要素法(FEM)を用いて座屈強度解析を行った。これは、各部材を多数のメッシュに分割し、その各メッシュを、板要素(CQUAD4,CTR|A3)として、応力解析モデルを作成し、その応力解析モデルに所定の荷重を作用させ、その状態の応力を演算する解析手法である。
【0049】
【表1】
Figure 0003844701
まず、解析対象についてであるが、図6(a)(b)に示すように、外板1(L11=1290mm,L12=748mm、t11=1.5mm)に、4つの縁材3−1〜3−4(取付部(L13=24mm)、縦壁部(L14=30mm)、保持部(L15=25mm)を有する)で、板状の発泡プラスチックからなる芯材2(厚さ30mm)を接着により取り付け、ステンレス鋼板からなる内板4(t12=0.5mm)をそれらに接着固定した構造である。これは、窓開口部の下側部分の区画に相当する。
【0050】
ここで、ステンレス鋼は、ヤング率19700kgf/mm2、ポアソン比0.3とし、GFRPは、ヤング率1410kgf/mm2、発泡プラスチックは、ヤング率3kgf/mm2(密度50kgf/m2の場合のおおよその値)とする。
【0051】
次に、解析結果であるが、従来、パネルの座屈強度σcrは、パネルの曲げ剛性に比例する(図7の破線参照)ものとして設計されていたが、図7に示すように、芯材の厚さを、断熱材として使用できる程度(厚さ30mm)まで厚くすると、F2を除き前記比例関係が成立しないことが確認された。これは、外板が主に圧縮荷重を負担し、内板には芯材や縁材を介して間接的に荷重が負荷される構造であること、及び芯材のヤング率が構造材としてはかなり低いためであると考えられる。
【0052】
なお、F2についても同様の現象が生じていると考えられるが、内板に用いているGFRPのヤング率が1410kgf/mm2 であり、S2(ステンレス)の19700kgf/mm2 やA2(アルミ)の7200kgf/mm2 の約1/10であるため、板(パネル)の曲げ剛性の計算値が小さい値となり、たまたま図7の破線の近くにきているものと考えられる。これは、次に示すように,F2の座屈強度が、芯材の面外撓みのバネ定数の平方根√kに比例することからも裏付けられる。
【0053】
図8に示すように、芯材が厚い場合(A2,S2,F2)、弾性支承された板として座屈変形するため、芯材の面外撓みのばね定数の平方根√kに座屈強度が比例する場合の式(10)で表される直線(図8の破線参照)に、A2,S2,F2の値が近づく。
【0054】
芯材としては断熱材程度の柔らかい材料でよいため、芯材の密度が低くなる。このため、芯材の厚さを10mmから30mmに変化させた場合の重量増加は非常に少ないが、座屈強度σcrは大きく向上することがわかる(図9参照)。
【0055】
よって、芯材としては、柔らかく、密度が低いもの(内板はできるだけ薄いもの)を用いると有利である。
【0056】
次いで、表2のタイプS2の前記座屈変形の様子について検討する。
【0057】
図10(a)(b)に示すように、X,Y方向にそれぞれ単位荷重Fx,Fyを作用させた場合について、X,Y方向の座屈を調べると共に、図10(c)に示すように、X方向に単位荷重Fを、Y方向に(a/b)×Fの荷重をそれぞれ作用させることによって、剪断座屈を調べたところ、次の解析結果が得られた。
【0058】
なお、応力解析の結果については、各メッシュの応力値を複数の段階に分別し、その段階ごとに異なる色彩で表示するようにして、一見して、モデル全体の応力状態を認識することができるようにしている(図11〜図14、図15〜図18、図19〜図22参照)。
(A)X方向座屈
座屈荷重Fcr=27886kgf 外板の断面積A=1122mm2
平均座屈強度σcr=F/A=24.9kgf/mm2
変形モードは図11に示すようになり、外板、内板及び発泡プラスチックの応力分布は、それぞれ、図12〜図14に示すようになる。
(B)Y方向座屈
座屈荷重Fcr=45358kgf 外板の断面積A=1935mm2
平均座屈強度σcr=F/A=23.4kgf/mm2
変形モードは図15に示すようになり、外板、内板及び発泡プラスチックの応力分布は、それぞれ、図16〜図18に示すようになる。
(C)剪断座屈
座屈荷重Fcr=49377kgf 外板の断面積A=1935mm2
平均剪断座屈強度σcr=F/A=25.5kgf/mm2
変形モードは図19に示すようになり、外板、内板及び発泡プラスチックの応力分布は、それぞれ、図20〜図22に示すようになる。
【0059】
以上の解析結果から、解析対象のX方向の発生応力は、最大で15kgf/mm2程度であるので、前記解析結果から得られるX方向の平均座屈強度は24.9kgf/mm2で、十分に実用に耐える値であると考えられる。
【0060】
図3(a)(b)(c)は前記構造要素と骨要素とからなる本発明に係る構体構造の他の例を示す説明図である。骨部材5,5A,5B,5Cが外板1A,1に結合され、骨部材5,5A,5B,5C間に内板4a,4b,4’と縁材3A,3’からなる区画(弾性支承部)が構成される。そして、区画ごとに内板4a,4b,4’は分断され互いに独立していることになるため、構体構造が受ける荷重のほとんどは外板1A,1が伝達することになる。このため、前記内板4a,4b,4’には、構体構造が受ける荷重がほとんど作用しない。よって、内板4a,4b,4’としては、外板1A,1より厚さが薄い(例えば外板の板厚の1/3以下の板厚を有する)ステンレス鋼板、又は繊維強化プラスチック(FRP)若しくはアルミニウム合金などの軽量材料を用いることができるようになる。また、このような内板4a,4b,4’が前記芯材2A,2を覆うように接着によって取り付けられることにより、芯材2A,2が空気に直接触れない構造となり、難燃性の構造とすることができる。
【0061】
前記構造要素の縁材としては、断面ほぼZ字形状の縁材3,3’に限定されず、断面ほぼコ字形状の縁材を用いたり、それらを組み合わせて用いることも可能である。芯材2の周縁部分を保持できる形状であれば、他の形状のものを用いてもよい。
【0062】
例えば、断面ほぼZ字形状の縁材に代えて、図3(a)に示すように、断面ほぼコ字形状の縁材3Aを用いることができる。
【0063】
前記縁材3Aは、外板1Aの内面1Aaに接着される外側取付部3Aaと、この外側取付部3Aaの内周縁部よりほぼ鉛直内方に延びる縦壁部3Abと、この縦壁部3Abの先端縁より前記外側取付部3Aaと平行にかつ同一側に延び内板4Aの内面4Aaに接着により固着される内側取付部3Acとを有し、芯材2Aが位置する側とは反対側に開口する断面ほぼコ字形状で、外向きに開口している。また、縁材3Aの両取付部3Aa,3Abの周縁部に内板2Aの周縁部がほぼ一致し、内板2Aが縁部材3Aより外方に突出しないようにしているが、必ずしもそれらを一致させる必要はない。
【0064】
前記骨部材5は、板材(ステンレス鋼)を折り曲げることで構成され、それぞれ外板1Aの内面1Aa(車室側の面)に溶接により固着される外側取付部5aと、この外側取付部5aの一縁部よりほぼ鉛直内方に延びる縦壁部5bと、この縦壁部5bの先端縁より前記外側取付部5aと平行に反対方向に延びる内側取付部5cとを有する。前記骨部材5と縁部材4Aとの間で座屈変形が生じるのを回避するために、前記骨部材5と縁部材4Aとはできるだけ接近するように配置することが望ましい。
【0065】
また、図3(b)に示すように、断面ほぼコ字形状の縁材3Aと断面ほぼZ字形状の縁材3’とを組み合わせて用いることもできる。この場合には、Z字形状の縁材3’は、外板1Aの内面1Aaに接着される外側取付部3a’と、この外側取付部3a’の内周縁部よりほぼ鉛直内方に延びる縦壁部3b’と、この縦壁部3b’の先端縁より前記外側取付部3a’と平行にかつ反対側に延び内板4Bの内面4Baに接着により固着される内側取付部3c’とを有する。
【0066】
また、断面ほぼコ字形状の骨部材5Aを用いており、外板1Aの内面1Aa(車室側の面)に接着により固着される外側取付部5Aaと、この外側取付部5Aaの一縁部よりほぼ鉛直内方に延びる縦壁部5Abと、この縦壁部5Abの先端縁より前記外側取付部5Aaと平行に同一方向に延びる内側取付部5Acとを有する。
【0067】
さらに、図3(c)に示すように、骨部材としては、外側取付部5Baと縦壁部5Bbとを有する断面ほぼL字形状の骨部材5Bや、断面ほぼコの字形状の骨本体部5Caと、反対方向に延びる2つの外側取付部5Cb、5Ccとを有する断面ほぼハット形状の骨部材5Cを用いることも可能である。
【0068】
尚、本発明に係る構体構造においては、縁材と骨部材との間には外板のみが存在する平板構造となっており、この部分においても必要な座屈強度を確保する必要がある。
【0069】
まず、骨部材と平行な方向の座屈強度を確保する場合について説明する。
【0070】
図4に示す平板の座屈強度σcrは、一般に次の式(12)で表される。
【0071】
【数14】
Figure 0003844701
前記座屈係数Kは、平板周辺の拘束条件やa/bの値によって変化するが、周辺支持条件で、板幅bに対して板長さが十分に大きい場合(a/b≧1)には、図5の曲線C’に示すように、座屈係数K=4とみなせる。
【0072】
よって,K=4とすれば、
【0073】
【数15】
Figure 0003844701
となる。
【0074】
前記骨要素の骨部材と前記構造要素の縁材との間には、前記構造要素の外板のみが存在するが、前記(1)式を満たす板幅bとすれば、その外板において骨部材と平行方向についての必要な座屈強度を確保することができる。
【0075】
そこで、ステンレス鋼の板厚1.5mmの外板で互いに隣り合う平行な骨部材と縁材との間の外板における骨部材と平行な方向の圧縮応力σc1が15kgf/mm2生じる場合には、
【0076】
【数16】
Figure 0003844701
となり、板幅bは103mm以下とする必要がある。
【0077】
次に、骨部材と直交する方向の座屈強度を確保する場合については、板幅bに対して板長さが十分に小さい(a/b≦0.5)として、応力方向と直交する方向に単位幅を有する梁の座屈として平板の座屈強度を近似することができる。そして、両端支持条件の梁の座屈強度は、次の式(13)で表される。
【0078】
【数17】
Figure 0003844701
さらに、板厚tの平板の単位幅の断面2次モーメントI=t3/12,A=tであるので、
【0079】
【数18】
Figure 0003844701
よって、前記骨要素の骨部材と前記構造要素の縁材との間に存在する外板において、上記(2)式を満たす板幅bとすれば、骨部材と平行方向についての必要な座屈強度を確保することができる。
【0080】
そこで、ステンレス鋼の板厚1.5mmの外板で互いに隣り合う平行な骨部材と縁材との間の外板における骨部材と直交する方向の圧縮応力σc2が15kgf/mm2生じる場合には、
【0081】
【数19】
Figure 0003844701
となり、板幅bは49mm以下とする必要がある。
【0082】
続いて、上記構体構造を用いた鉄道車両の一例について、図面に沿って具体的に説明する。
(実施例1)
本発明に係る構体構造を鉄道車両の側構体に実施した例を、図23〜図29に示す。すなわち、鉄道車両の側構体21は、上部に窓開口部22が形成され、その窓開口部22の前後両側にドア開口部23,24がそれぞれ形成されている。前記窓開口部22とドア開口部23,24とを除く部分が複数の区画(弾性支承部)に区分されている。つまり、前記窓開口部22とドア開口部23,24との間に上下方向に延びる第1及び第2の区画S11,S12が形成され、前記窓開口部22の下方に窓開口部22の幅にほぼ等しい幅の第3の区画S13が形成されている。
【0083】
なお、補強部材105A,105B、骨部材106C,106D,106F,106Gが設けられている点は、従来の構造と同様である。
【0084】
そして、前記区画S11〜S13は、いずれも、車両前後方向及び上下方向の辺を有する側面視矩形状とされ、前記各辺が異なる縁材、すなわち前後方向に延びる上下1対の縁材3A1〜3C1,3A2〜3C2と、上下方向に延びる前後1対の縁材3A3〜3C3,3A4〜3C4とによって構成されている。そして、その縁材3A1〜3C1,3A2〜3C2,3A3〜3C3,3A4〜3C4に内板4A〜4Cが接着により固定され、外板1の内側に芯材2A〜2Cを保持するようになっている。なお、隣り合う内板4A〜4C同士は結合していない。
【0085】
この構造によれば、外板1が内面側を芯材4A〜4Cにて弾性支承されているので、そのように支承されてない従来構造に比べて、座屈強度が高められることとなり、従来のように多数の補強部材による補強を必要としないので、補強部材の数を減少させることで、溶接量を減少させ、溶接ひずみやスポット溶接の圧痕を大幅に減少させることができる。すなわち、従来と同様の補強部材は、ドア開口部23,24についてのみ用いられている。
【0086】
また、弾性支承構造とする際に外板を継ぐ際の板割りの制限がないので、外板の継ぎ目をなくし、前記溶接量及び溶接ひずみを減少させることができることと相俟って、外観を向上させる上で有利となる。芯材2は、断熱材(発泡プラスチック)を使用することができるので、構造の簡略化及び軽量化が図れる。
【0087】
内板4A〜4Cには荷重が作用しないため、外板1より薄い板厚としたり、繊維強化プラスチックあるいはアルミニウム合金などの軽量材料を用いることができるため、軽量構造を図る上で有利である。
(実施例2)
前述したような弾性支承構造とされる区画は、図23に示すものに限定されるものではなく、図30〜図34に示すように構成することもできる。すなわち、鉄道車両の側構体21'は、前記窓開口部22とドア開口部23,24との間に、前記窓開口部22の下辺部付近を境として上下に2分割して、第1〜第4の区画S21〜S24が形成され、前記窓開口部22の下方に、前後方向に3分割して第5〜第7の区画S25〜S26が形成されるようにしてもよい。
【0088】
そして、前記区画S21〜S27は、いずれも、前述した実施例1の場合と同様に、車両前後方向及び上下方向の辺を有する側面視矩形状とされ、前記各辺が異なる縁材、すなわち前後方向に延びる上下1対の縁材3D1〜3J1,3D2〜3J2と、上下方向に延びる前後1対の縁材3D3〜3J3,3D4〜3J4とによって構成されている。そして、その縁材3D1〜3J1,3D2〜3J2,3D3〜3J3,3D4〜3J4に内板4D〜4Jが接着により固定され、外板1の内側に芯材2D〜2Jを保持するようになっている。
(実施例3)
また、弾性支承構造とされる区画は、図35〜図41に示すように構成することも可能である。すなわち、前記窓開口部22とドア開口部23との間において第1及び第2の区画S31,S32が、前記窓開口部22とドア開口部24との間において第3及び第4の区画S33,S34がそれぞれ上下に形成されている。つまり、外板1’が、上下方向の中間部分(下方寄り)において凸状に外方に突出するように断面ほぼくの字形状に折れ曲がるように形成され、その突出部分(折れ曲がり部分)を境として上下に、側面視ほぼ矩形状の第1及び第2の区画S31,S32並びに第3及び第4の区画S33,S34(弾性支承部)がそれぞれ配置されている。また、前記突出部分(折れ曲がり部分)は、芯材にて弾性支承されていないが、曲面板となっているので、必要な座屈強度は確保されている。
【0089】
そして、前記窓開口部22の下方に窓開口部22の幅にほぼ等しい幅の第5の区画S35が形成されている。そして、前記各区画S31〜S35が、区画ごとに前述した構造要素(図42〜図45参照)とされている。なお、側構体21’の窓開口部22の両側に戸袋部107,108及びドア開口部23,24がそれぞれ形成され、それぞれの境界に外板に溶接で取り付けられた側柱106C,106Dや入口柱106F,106Gが設けられ、骨要素(図46〜図49参照)が構成される。この骨要素32は、縦方向の骨部材106F,106C,106D,106G(図35参照)と、それらの上端部を連結する横方向の骨部材106H,106Iと、骨部材106C,106Dを連結する横方向の骨部材106Jにより主要部が構成されている。なお、105Hは補強部材である。
【0090】
そして、骨要素32は、開口部分(骨部材106Fなどが存在していない部分)として、ドア開口部23,24となる開口部分W1,W2、窓開口部22が位置する開口部分W3、第1及び第2の区画が位置する第3の開口部分W3、第3及び第4の区画が位置する第4の開口部分W4及び第5の区画が位置する第5の開口部分W5が形成されている。
【0091】
そして、前記区画S31〜S35は、いずれも、車両前後方向及び車両上下方向に延びる辺を有するものであり、側面視矩形状とされる。そして、前記区画S31〜S35の各辺は、異なる縁材、すなわち車両前後方向に延びる上下1対の縁材3J1〜3N1,3J2〜3N2,3J3〜3N3,3J4〜3N4とによって構成されている。
【0092】
前記芯材2J〜2Nの周縁部分に、縁材3J1〜3N1,3J2〜3N2,3J3〜3N3,3J4〜3N4が接着により固定され、外板1’の内側に芯材2J〜2Nを保持するようになっている。前記芯材2J〜2N及び縁材3J1〜3N1,3J2〜3N2,3J3〜3N3,3J4〜3N4の内側に内板4J〜4Nが接着されている。なお、隣り合う内板4J〜4N同士は結合していない。
【0093】
この構造によれば、車両の外面を構成する外板1は、内面側を芯材2J〜2Nにて弾性支承されているので、そのように弾性支承されてない従来構造に比べて、座屈強度が高められることとなる。
【0094】
よって、従来構造のように多数の補強部材による補強を必要としないので、補強部材の数を減少させることで、溶接量を低減し、溶接ひずみやスポット溶接の圧痕を大幅に減少させることができる。
【0095】
また、このような芯材2J〜2Nを利用した弾性支承構造とする際に、その区画分けは外板の継ぎ位置とは無関係に決められるので、外板の素材寸法が許す限り外板を継ぐ必要がなくなる。よって、外板の継ぎ目をなくすることができ、前記溶接量及び溶接ひずみを減少させることができることと相俟って、外観を向上させる上で有利となる。
【0096】
そして、前記芯材2(2J〜2N)は、構造材である外板1’に比べて軽い材料である断熱材(発泡プラスチック)を使用することができるので、構造の簡略化及び軽量化が図れる。
【0097】
とくに、前記内板4J〜4Nには荷重が作用しないため、外板1’より薄い板厚としたり、繊維強化プラスチックあるいはアルミニウム合金などの軽量材料を用いることができる。そのため、軽量の構体構造とする上で有利である。
【0098】
続いて、補強重量について、前述した本発明に係る構造(実施例1,2)と従来構造とを比較する。
【0099】
重量軽減のため、内板は、板厚が外板(ステンレス鋼板)の板厚の1/3の板厚である0.5mmのステンレス鋼板とし、芯材(発泡プラスチック、具体的には発泡ウレタン)の厚さを30mm(一定)とした。
【0100】
【表2】
Figure 0003844701
この表2より、使用する芯材の密度が、補強重量に及ぼす影響が大きいことがわかる。従来構造と同程度の重量とするには、芯材の厚さ30mmの場合には、発泡プラスチックの密度を100kg/m3以下とする必要があり、発泡プラスチックの密度は、発泡プラスチックの機械的性質に関係してくるため、最適値を求める必要がある。
【0101】
区画は、総数が少ない方が、重量効率がよく、部材数の低減も図れる。よって、実施例1の方が、実施例2よりもよいと考えられる。
【0102】
また、本発明に係る構造(実施例3)と従来構造(従来例)とを、補強重量について比較する。
【0103】
実施例3について、内板は、板厚が外板(ステンレス鋼板)の板厚の1/3の板厚である0.5mmのステンレス鋼板とし、芯材(発泡プラスチック、具体的には発泡ウレタン)の厚さを30mm(一定)とし、実施例1,2にある補強部材105A,105Bも無くしている。
【0104】
【表3】
Figure 0003844701
この表3からも、構体構造に使用する芯材の密度が、補強重量に及ぼす影響が大きいことがわかる。
【0105】
発泡プラスチックとしては、高密度の200kg/m3を用いた場合でも、従来構造と比較して、軽量構造となる。
【0106】
前記実施の形態は、鉄道車両の構体構造と同様と考えられる応力外皮構造に適用したものであるが、本発明はこれに制限されるものではなく、例えば航空機の胴体構造などにも適用可能である。
【0107】
【発明の効果】
この発明は、以上に説明したように実施され、以下に述べるような効果を奏する。
【0108】
請求項1の発明は、外板と前記外板より狭い面積の内板を結合する縁材を前記内板の周縁に沿って設け、前記外板、内板及び縁材によって囲まれる閉鎖空間を芯材(弾性芯材)で満たすことで、前記外板を弾性支承するようにしているので、外板に溶接されている補強部材を無くしても、座屈強度を確保することができる。そして、主に補強部材の部材数を減少させ、外板と補強部材との溶接量を減少させ、溶接ひずみを減少させる上で有利となる。
内板には荷重が作用しないため、外板に対して薄い板厚としたり、FRPあるいはアルミニウム合金などの軽量材料を用いることができ、軽量構造を図る上で有利であり、構造の軽量化を図ることができる。
【0109】
請求項2に記載のような芯材とすることで、一般に、構造材としては軽い材料を用いることになり、縁材のピッチと芯材の板厚及び密度とを適切に選択することによって、軽量化を図ることができる。また、前記芯材は、断熱材として機能する発泡プラスチックであるので、外板と内板の間に形成される空間部を有効に利用して、断熱効果を得ることができ、構造の簡略化が図れる。
【0111】
また、請求項3に記載のように、前記縁材が、繊維強化プラスチック、アルミニウム合金又は前記外板より薄いステンレス鋼からなるようにすれば、構造の軽量化をさらに図ることができる。
【0112】
請求項4に記載のように、前記鉄道車両用側構体を構成する請求項1記載の構造要素と、前記鉄道車両用側構体を構成する骨部材を縦横に配置し一体化した骨要素とからなり、前記構造要素のうち内板のある部分を、前記骨要素の開口している部分に位置させる構成とし、(前記骨部材と縁材との間隔を極力狭くすると共に、前記骨要素の厚さを前記縁材の厚さより大きくすれば、)外板の座屈強度を確保したい部分に前記構造要素のうち芯材、縁材及び内板からなる部分を内側から接着し、芯材の弾性を利用した弾性支承構造とすることにより、構造材である外板の必要とする部位に必要な座屈強度を確保することができる。また、前記構造要素のうち芯材、縁材及び内板からなる部分(前述した区画に対応)の間で外板を継ぐ必要がないので、溶接量、溶接ひずみを減らすことができ、外観の向上を図ることができる。
【0113】
その場合には、請求項5に記載のように、前記骨要素の開口部分の一部を、前記構造要素で覆わずに窓用開口部としたり、請求項6に記載のように、前記骨要素の開口部分の一部を、前記構造要素で覆わずに出入り口用開口部としたりする構成を、簡単にとらせることができる。
【0114】
請求項7に記載のように、前記外板の側に、凸状に外方に突出するように折れ曲がった部位を有する場合に、その部位を境として、前記芯材を分割した構成とすれば、平板状の芯材及び直線的な縁材を用いることができるため、製作が容易となる。
【0115】
請求項8や請求項9に記載のように、骨要素の骨部材と構造要素の縁材との間隔bを定めれば、前記骨要素の骨部材と前記構造要素の縁材との間における外板において骨部材と平行な方向や直交する方向についての必要な座屈強度を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)(b)は本発明に係る構造要素を示す図である。
【図2】図1(a)に示す構造要素(弾性支承系)をモデル化した説明図である。
【図3】(a)(b)(c)は本発明に係る構体構造の他の例を示す図である。
【図4】構造要素の縁材と骨要素の骨部材との間の外板の座屈強度の計算の説明図である。
【図5】座屈係数の説明図である。
【図6】座屈強度解析に用いた構造要素を示すもので、(a)は正面図、(b)は(a)のA−A線における断面図である。
【図7】単位幅当たりのパネルの曲げ剛性EIと座屈強度との関係を示す図である。
【図8】単位面積当たりのばね定数の平方根と座屈強度との関係を示す図である。
【図9】パネルの単位面積当たりの重量と座屈強度との関係を示す図である。
【図10】座屈強度解析の拘束条件を示す図で、(a)(b)(c)はそれぞれX方向の座屈、Y方向の座屈及び剪断座屈の場合を示す。
【図11】X方向の座屈の場合の変形モードを示す図である。
【図12】X方向の座屈の場合の外板の応力状態の説明図である。
【図13】X方向の座屈の場合の内板の応力状態の説明図である。
【図14】X方向の座屈の場合の芯材の応力状態の説明図である。
【図15】Y方向の座屈の場合の変形モードを示す図である。
【図16】Y方向の座屈の場合の外板の応力状態の説明図である。
【図17】Y方向の座屈の場合の内板の応力状態の説明図である。
【図18】Y方向の座屈の場合の芯材の応力状態の説明図である。
【図19】剪断座屈の場合の変形モードを示す図である。
【図20】剪断座屈の場合の外板の応力状態の説明図である。
【図21】剪断座屈の場合の内板の応力状態の説明図である。
【図22】剪断座屈の場合の芯材の応力状態の説明図である。
【図23】本発明に係る側構体の内側から見た図である。
【図24】図23のA−A線における断面図である。
【図25】図23のB−B線における断面図である。
【図26】図23のC−C線における断面図である。
【図27】図23のD−D線における断面図である。
【図28】図24のE部の拡大図である。
【図29】図26のF部の拡大図である。
【図30】本発明に係る他の側構体の内側から見た図である。
【図31】図30のA−A線における断面図である。
【図32】図30のC−C線における断面図である。
【図33】図31のE部の拡大図である。
【図34】図32のF部の拡大図である。
【図35】本発明に係る他の実施の形態についての図23と同様の図である。
【図36】図35のA−A線における断面図である。
【図37】図35のB−B線における断面図である。
【図38】図35のC−C線における断面図である。
【図39】図35のD−D線における断面図である。
【図40】図36のE部の拡大図である。
【図41】図36のF部の拡大図である。
【図42】本発明に係る構造要素の正面図である。
【図43】図42のA−A線における断面図である。
【図44】図42のB−B線における断面図である。
【図45】図42のC−C線における断面図である。
【図46】本発明に係る骨要素の正面図である。
【図47】図46のA−A線における断面図である。
【図48】図46のB−B線における断面図である。
【図49】図46のC−C線における断面図である。
【図50】従来例についての図23と同様の図である。
【図51】図50のA−A線における断面図である。
【図52】図50のC−C線における断面図である。
【符号の説明】
1,1’,1A 外板
2 芯材
2A〜2O 芯材
3 縁材
3−1〜3−4 縁材
3a 取付部
3b 縦壁部
3c 取付部
3A1〜3O1 縁材
3A2〜3O2 縁材
3A3〜3O3 縁材
3A4〜3O4 縁材
4 内板
4A〜4O 内板
5 骨部材
21,21’、21” 側構体
22 窓開口部
23,24 ドア開口部
31 構造要素
32 骨要素
S11〜S13 区画
S21〜S26 区画
S31〜S35 区画
W1〜W5 開口部分[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a structural element and a structure using the structural element.
[0002]
[Prior art]
The outer plate of the side structure of a conventional railway vehicle is configured as shown in FIGS. That is, a window opening 102 is formed in the outer plate 101 (side structure), and door pockets 107 and 108 and door openings 103 and 104 are provided at regular intervals on both sides thereof. Reinforcing members 105A and 105B having protrusions 105a and 105a having a substantially U-shaped cross section extending in the vertical direction are fixed to the door pocket portions 107 and 108 by welding. Further, the cross section is substantially U-shaped and extends in the vertical direction between the first reinforcing members 105A and 105B and the window opening 102 and also on the upper part (upper part substantially corresponding to the height of the window opening 102). Second reinforcing members 105C and 105D having protruding portions 105b and 105b having shapes are provided.
[0003]
Further, between the first reinforcing members 105A and 105B and below the window opening portion 102, three reinforcing members 105E to 105G having a substantially hat-shaped cross section extending in the front-rear direction are provided in parallel. ing. Below the window opening 102, two fourth reinforcing members 106A and 106B having substantially Z-shaped cross sections extending in the vertical direction are provided so as to be orthogonal to the third reinforcing members 105E to 105G. . Side columns 106C and 106D, which are bone members having a substantially Z-shaped cross section and extending in the vertical direction and having a height higher than that of the fourth reinforcing members 106A and 106B, are also provided on both sides of the window opening 102. A fifth reinforcing member 106E having a substantially Z-shaped cross section is provided on the upper side of the third reinforcing members 105E to 105G and below the window opening 102 so as to extend in the longitudinal direction of the vehicle body. In addition, on both sides of the door openings 103 and 104, inlet columns 106F and 106G which are bone members having a substantially Z-shaped cross section extending in the vertical direction are provided.
[0004]
Therefore, side columns 106C and 106D and inlet columns 106F and 106G attached to the outer plate 101 by welding are formed at the boundaries between the door pockets 107 and 108 and the door openings 103 and 104 formed on both sides of the window opening 102, respectively. Will be.
[0005]
This is a structure in which the shape of the entire side structure is held by bone members such as these side columns and entrance columns, and the shape of the outer plate between the bone members is held by a number of reinforcing members.
[0006]
The reason why the large number of reinforcing members 105A to 105G, 106A, 106B, and 106E are welded to the outer plate 101 is to secure the buckling strength of the outer plate in the vehicle structure, Various structures have been proposed.
(1) For example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-220962, as a structure of a side structure of a passenger train, a reinforcing plate in which uneven portions are formed is welded to the inside of the side outer plate, A structure in which a space between the cores is filled is proposed.
(2) For example, Japanese Patent No. 30105020 proposes a structure of a side structure using a double skin panel made of stainless steel, in which both an outer plate and an inner plate handle loads. In this structure, the outer plate and the inner plate have substantially the same thickness and are made of the same material, and a stainless steel bent plate is used as the core material.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In the structure described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-220962, various reinforcing plates are manufactured according to the size of each region where the side outer plate needs to be reinforced. Since it forms, processing is troublesome. Further, since the welding amount between the side outer plate and the reinforcing plate is not different from the conventional bone skin structure, there is no effect of reducing welding distortion. Furthermore, when filling a filler (core material), in order to withstand the foaming pressure during the construction of the filler, a certain thickness of the reinforcing plate is necessary, and the weight of the reinforcing plate and the core material is conventionally It becomes heavier than the weight of the buckling reinforcement structure.
[0008]
Further, in the technology described in Japanese Patent No. 30105020, since the load is input not only to the outer plate but also to the inner plate, the inner plate has substantially the same thickness as the outer plate and the same material ( High-strength members) are used, and a stainless steel bent plate is used as the core material, which increases the weight. In particular, the connection between the panels when constructing the structure structure requires not only the outer plates but also the inner plates to be connected to input a load to the inner plates, which complicates the connection structure. Further, the volume between the outer plate and the inner plate cannot be effectively used for heat insulation, wiring, piping, or the like.
[0009]
It is an object of the present invention to provide a structural element capable of achieving a reduction in weight due to a reduction in the number of reinforcing members, a reduction in welding man-hours and a welding distortion due to a reduction in welding amount, and a structure using the structural element. To do.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
  The invention according to claim 1 is an outer plate which is a structural material, a plurality of inner plates having an area smaller than the outer plate, and the outer plate and the inner plates which are positioned between the outer plate and the inner plates. A plurality of edge members integrated with each other, the outer plate, and a plurality of core members satisfying a plurality of closed spaces constituted by the plurality of inner plates and the edge member, wherein each of the core members is the outer plate. And a structural element for forming a side structure for a railway vehicle by being integrated with at least both of them by adhesion or fusion, and integrated with other structural materials, wherein the outer plate is made of stainless steel On the other hand, each of the inner plates is made of fiber reinforced plastic, aluminum alloy, or stainless steel having a thickness of 1/3 or less of the thickness of the outer plate.Independent of each otherIt is characterized by that. As described above, lightweight inner materials (fiber reinforced plastic, aluminum alloy, or stainless steel having a thickness of 1/3 or less of the thickness of the outer plate) can be used as adjacent inner plates. Because it is not structurally connected, most of the load received by the railcar side structure is transmitted by the outer plate.
This is because the load does not act on the.
[0011]
  According to the invention of claim 1, the outer plate andeachJoin inner plateseachThe edge material is the aboveeachIt is provided along the periphery of the inner plate, and is surrounded by the outer plate, the inner plate and the edge material.eachThe outer plate is elastically supported by filling the closed space with a core material (elastic core material). By elastically supporting in this way, the buckling strength of the outer plate is ensured, and the number of members, the amount of welding, and the welding distortion are reduced.
  Further, since the inner plate is made of a lightweight material (fiber reinforced plastic, aluminum alloy, or stainless steel having a thickness of 1/3 or less of the thickness of the outer plate), the overall structure can be reduced in weight. It is advantageous.
[0012]
As described in claim 2, the core material may be foamed plastic or wood that functions as a heat insulating material.
[0013]
Since foamed plastic and wood have a low density, simplification and weight reduction of the structure can be easily achieved by appropriately selecting the pitch of the edge material and the thickness and density of the core material. In particular, if foamed plastic that functions as a heat insulating material is used for the core material, a heat insulating effect can be obtained by effectively utilizing the closed space formed inside the outer plate without using a complicated structure.
[0016]
  Furthermore, in order to further simplify the structure and reduce the weight,Claim 3The edge material is made of fiber reinforced plastic, aluminum alloy or stainless steel thinner than the outer plate as described inTo dobe able to.
[0017]
  Furthermore, using the structural elementThe side structure for railway vehiclesConstituteIn case, claim 4As described inSaid railcar side structureA structural element according to claim 1 comprising:Constituting the railcar side structureIt may be configured to include a bone element in which bone members are arranged vertically and horizontally, and a portion having an inner plate among the structural elements may be positioned at a portion where the bone element is opened.
[0018]
  In that case,Claim 5As described in the above, a part of the opening portion of the bone element (portion where no bone member is provided) is used as a window opening without being covered with the structural element,Claim 6As described above, a part of the opening portion of the bone element can be used as an entrance / exit opening without being covered with the structural element.
[0019]
  Also,Claim 7As described in the above, when a portion bent so as to protrude outwardly is formed on the outer plate of the structural element, with the bent portion as a boundary, the core material, the edge material, and Consisting of inner plateSaid structural elementIt is also possible to adopt a configuration in which (corresponding to the sections described later) are provided independently.
[0020]
In this way, by dividing the core material with the bent portion of the outer plate as a boundary, the flat core material and inner plate can be obtained without using such a bent core material, edge material or inner plate. In addition, it can be configured using a straight edge material, and the structure is not complicated.
[0021]
  Claim 8As described above, it is desirable that the distance b between the adjacent bone members of the bone elements and the edge members of the structural elements that are parallel to each other satisfies the following relational expression (1).
[0022]
[Equation 3]
Figure 0003844701
In this case, only the outer plate of the structural element exists between the bone member of the bone element and the edge member of the structural element, but the outer plate needs to be parallel to the bone member. Buckling strength is ensured.
[0023]
  In addition, when the direction of the compressive stress of the outer plate is orthogonal to the bone member,Claim 9As described above, it is desirable that the interval b between the adjacent bone members of the bone elements and the edge members of the structural elements that are parallel to each other satisfies the following relational expression (2).
[0024]
[Expression 4]
Figure 0003844701
If it does in this way, the required buckling strength about the direction which intersects perpendicularly with a bone member will be secured in the outer board which exists between the bone member of the bone element, and the edge material of the structural element.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0026]
FIGS. 1A and 1B are explanatory views showing structural elements according to the present invention.
[0027]
As shown in FIG. 1 (a), for example, the structural element according to the present invention has a rectangular core material 2 bonded to the inner surface side of an outer plate 1 that extends in the front-rear direction and the vertical direction and constitutes the outer surface of a railway vehicle. It is attached. The peripheral portion of the core material 2 is held by an edge member 3 that joins the outer plate 1 and the inner plate 4. An inner plate 4 is attached to the core material 2 by adhesion so as to cover the core material 2. Here, P is an edge material pitch.
[0028]
Thereby, since the outer plate 1 is elastically supported by the core material 2, the buckling strength of the outer plate 1 is ensured. Moreover, since the buckling prevention reinforcement required for the conventional structure can be eliminated, it is possible to reduce the number of members, the welding amount, and the welding distortion.
[0029]
As the core material 2, a heat insulating material which is a soft material can be used as a structural material. The thickness of the core material 2 is determined so as to satisfy the required heat insulation performance. Specifically, as the core material, for example, foamed plastics such as urethane foam, vinyl chloride resin foam (trade name: Cregecel), polyethylene foam, and phenol foam can be used.
[0030]
In particular, when foamed plastic is used as the core material 2, the specific gravity is 1/20 to 1/80 or less as compared with the stainless steel plate constituting the outer plate 1. Thus, since it is very lightweight, it becomes an advantageous structure in achieving weight reduction by appropriately selecting the pitch P of the edge member 3 and the plate thickness L1 and density of the core member 2.
[0031]
  The edge member 3 is a plate material (stainless steel).BendA mounting portion 3a configured to be fixed to the inner surface 1a of the outer plate 1 by welding (a surface on the passenger compartment side), a vertical wall portion 3b extending substantially vertically inward from the inner peripheral edge of the mounting portion 3a, and It extends in parallel to the mounting portion 3a from the front edge of the vertical wall portion 3b and in the opposite direction to the mounting portion 3a, and only the core material 2 or the core material 2 and the inner plate 4 are pressed against the outer plate 1 side simultaneously. Holding part 3c.
[0032]
The attachment portion 3a of the edge member 3 is not necessarily fixed to the inner surface 1a of the outer plate 1 by welding, and can be attached by adhesion.
[0033]
Next, in order to see how the Young's modulus of the core material affects the buckling strength of the outer plate, the structure shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b) has the outer plate 1 as the beam 11 and the edge member 3. By considering the (reinforcing member) as fulcrums 12A and 12B and the core material 2 as a plurality of springs 13, respectively, as shown in FIG.
[0034]
However, in this modeling, the inner plate has a sufficiently high rigidity with respect to the core material and supports the spring 13 rigidly.
[0035]
The governing equation of the beam 11 in the modeled elastic bearing system shown in FIG. 2 is as the following equation (3).
[0036]
[Equation 5]
Figure 0003844701
In the structure shown in FIG. 1, if the Young's modulus of the core material 2 is E1, and the effective depth (thickness) of the core material 2 is L1 (see FIG. 1), the spring constant k per unit area of the core material 2 is As shown in the following equation (4).
[0037]
[Formula 6]
Figure 0003844701
Here, the basic equation in the case of symmetrical deformation of the cylindrical body is as shown in the following formula (5), and is expressed in the same form as the formula (1).
[0038]
[Expression 7]
Figure 0003844701
Here, D (the bending rigidity of the plate) in the equation (5) is obtained by the following equation (6).
[0039]
[Equation 8]
Figure 0003844701
By the way, since the expressions (3) and (5) can be regarded as equivalent, the following relationship can be derived from the right side of both expressions.
[0040]
[Equation 9]
Figure 0003844701
Thereby, the equivalent radius r when the beam 11 in the elastic bearing system is regarded as the cylindrical body is obtained as in the following equation (8).
[0041]
[Expression 10]
Figure 0003844701
Axial compressive buckling stress σ of cylindrical bodycrIs known by the following equation (9).
[0042]
## EQU11 ##
Figure 0003844701
The equivalent radius r in the equation (9) can be expressed by the spring constant k of the elastic bearing system as shown in the equation (8). Then, by substituting equation (8) into equation (9), calculation is performed as follows.
[0043]
[Expression 12]
Figure 0003844701
Therefore, buckling stress σ in the elastic bearing systemcrIs proportional to the square root of the spring constant k of the elastic bearing system.
[0044]
By the way, the required buckling strength of the side structure of a railway vehicle is usually 15 kgf / mm at the maximum.2 Considering that the spring constant k of the elastic bearing system is
[0045]
[Formula 13]
Figure 0003844701
As shown in the figure, it becomes 0.02 kgf / mm.
[0046]
Furthermore, the Young's modulus E1 of the core material is as follows when the thickness L1 of the core material is 30 mm:
Figure 0003844701
The foamed plastic has a Young's modulus of about 1 kgf / mm.2 Therefore, it is possible to apply foamed plastic used as a heat insulating material as a core material.
[0047]
By utilizing this point, the structure structure according to the present invention having the basic structure as shown in FIGS. 1A and 1B is used in a portion where buckling strength is required. It can be seen that the buckling strength can be increased.
[0048]
Subsequently, in order to consider the rigidity of the inner plate and the edge material, a finite element method (FEM), which is known as a technique for analyzing the stress acting on the structure of the railway vehicle, is used for each structural element in Table 1. The buckling strength analysis was performed. This is because each member is divided into a large number of meshes, each mesh is used as a plate element (CQUAD4, CTR | A3), a stress analysis model is created, and a predetermined load is applied to the stress analysis model. This is an analysis method for calculating the stress of the material.
[0049]
[Table 1]
Figure 0003844701
First, regarding the analysis object, as shown in FIGS. 6A and 6B, the outer plate 1 (L11 = 1290 mm, L12 = 748 mm, t11 = 1.5 mm) is provided with four edge members 3-1 to 3-1. 3-4 (with attachment part (L13 = 24 mm), vertical wall part (L14 = 30 mm), holding part (L15 = 25 mm)), core material 2 (thickness 30 mm) made of plate-like foamed plastic is bonded The inner plate 4 (t12 = 0.5 mm) made of a stainless steel plate is attached and fixed thereto. This corresponds to the section of the lower part of the window opening.
[0050]
Here, the stainless steel has a Young's modulus of 19700 kgf / mm.2The Poisson's ratio is 0.3, and GFRP has a Young's modulus of 1410 kgf / mm.2The foamed plastic has a Young's modulus of 3 kgf / mm2(Density 50kgf / m2Approximate value).
[0051]
Next, the analysis results show that the conventional panel buckling strength σcrWas designed to be proportional to the bending rigidity of the panel (see the broken line in FIG. 7), but as shown in FIG. 7, the thickness of the core material can be used as a heat insulating material (thickness 30 mm). It was confirmed that when the thickness is increased, the proportional relationship is not satisfied except for F2. This is because the outer plate mainly bears the compressive load, and the inner plate has a structure in which the load is indirectly applied via the core material and the edge material, and the Young's modulus of the core material is a structural material. This is probably because it is quite low.
[0052]
The same phenomenon is considered to occur with F2, but the Young's modulus of GFRP used for the inner plate is 1410 kgf / mm.2 S2 (stainless steel) 19700kgf / mm2 And A2 (aluminum) 7200kgf / mm2 Therefore, it is considered that the calculated value of the bending rigidity of the plate (panel) is small and happens to be near the broken line in FIG. This is supported by the fact that the buckling strength of F2 is proportional to the square root √k of the spring constant of the out-of-plane deflection of the core material, as shown below.
[0053]
As shown in FIG. 8, when the core material is thick (A2, S2, F2), it buckles and deforms as an elastically supported plate. Therefore, the buckling strength is at the square root √k of the spring constant of the out-of-plane deflection of the core material. The values of A2, S2, and F2 approach the straight line represented by the equation (10) in the case of proportionality (see the broken line in FIG. 8).
[0054]
Since the core material may be a soft material such as a heat insulating material, the density of the core material is lowered. For this reason, when the thickness of the core material is changed from 10 mm to 30 mm, the weight increase is very small, but the buckling strength σcrIt can be seen that is greatly improved (see FIG. 9).
[0055]
Therefore, it is advantageous to use a soft core material having a low density (the inner plate is as thin as possible).
[0056]
Next, the state of the buckling deformation of type S2 in Table 2 will be examined.
[0057]
As shown in FIGS. 10A and 10B, when unit loads Fx and Fy are applied in the X and Y directions, the buckling in the X and Y directions is examined, and as shown in FIG. 10C. Next, when the unit load F was applied in the X direction and the load of (a / b) × F was applied in the Y direction, the shear buckling was examined, and the following analysis results were obtained.
[0058]
Regarding the results of stress analysis, the stress values of each mesh can be classified into a plurality of stages and displayed in different colors at each stage, so that the stress state of the entire model can be recognized at a glance. (See FIGS. 11 to 14, FIGS. 15 to 18, and FIGS. 19 to 22).
(A) Buckling in X direction
Buckling load Fcr= 27886 kgf Outer plate cross-sectional area A = 1122 mm2
Average buckling strength σcr= F / A = 24.9 kgf / mm2
The deformation mode is as shown in FIG. 11, and the stress distributions of the outer plate, the inner plate and the foamed plastic are as shown in FIGS.
(B) Y-direction buckling
Buckling load Fcr= 45358kgf Outer plate cross section A = 1935mm2
Average buckling strength σcr= F / A = 23.4kgf / mm2
The deformation mode is as shown in FIG. 15, and the stress distributions of the outer plate, the inner plate, and the foamed plastic are as shown in FIGS.
(C) Shear buckling
Buckling load Fcr= 49377kgf Outer plate cross section A = 1935mm2
Average shear buckling strength σcr= F / A = 25.5kgf / mm2
The deformation mode is as shown in FIG. 19, and the stress distributions of the outer plate, the inner plate, and the foamed plastic are as shown in FIGS.
[0059]
From the above analysis results, the generated stress in the X direction to be analyzed is a maximum of 15 kgf / mm.2Therefore, the average buckling strength in the X direction obtained from the analysis result is 24.9 kgf / mm.2Therefore, it is considered that the value is sufficient for practical use.
[0060]
FIGS. 3A, 3B, and 3C are explanatory views showing another example of a structure structure according to the present invention that includes the structural element and the bone element. The bone members 5, 5A, 5B, 5C are joined to the outer plates 1A, 1 and a partition (elasticity) is formed by the inner plates 4a, 4b, 4 'and the edge members 3A, 3' between the bone members 5, 5A, 5B, 5C. The bearing section) is configured. Since the inner plates 4a, 4b, 4 'are divided and independent from each other for each section, the outer plates 1A, 1 transmit most of the load received by the structure. For this reason, the load which a structure structure receives hardly acts on the said inner plates 4a, 4b, 4 '. Therefore, as the inner plates 4a, 4b, 4 ′, a stainless steel plate having a thickness smaller than the outer plates 1A, 1 (for example, having a thickness of 1/3 or less of the thickness of the outer plate) or fiber reinforced plastic (FRP) ) Or a lightweight material such as an aluminum alloy. Further, such inner plates 4a, 4b, 4 'are attached by adhesion so as to cover the core materials 2A, 2 so that the core materials 2A, 2 do not come into direct contact with air, and a flame-retardant structure. It can be.
[0061]
The edge material of the structural element is not limited to the edge materials 3 and 3 ′ having a substantially Z-shaped cross section, and an edge material having a substantially U-shaped cross section may be used or a combination thereof may be used. Other shapes may be used as long as the shape can hold the peripheral portion of the core material 2.
[0062]
For example, instead of the edge member having a substantially Z-shaped cross section, an edge member 3A having a substantially U-shaped cross section can be used as shown in FIG.
[0063]
The edge member 3A includes an outer mounting portion 3Aa bonded to the inner surface 1Aa of the outer plate 1A, a vertical wall portion 3Ab extending substantially vertically inward from the inner peripheral edge portion of the outer mounting portion 3Aa, and the vertical wall portion 3Ab. It has an inner attachment portion 3Ac that extends in parallel to the outer attachment portion 3Aa from the front end edge and is fixed to the inner surface 4Aa of the inner plate 4A by adhesion, and opens on the opposite side to the side on which the core material 2A is located. The cross-section is generally U-shaped and opens outward. Further, the peripheral portion of the inner plate 2A substantially coincides with the peripheral portions of the mounting portions 3Aa and 3Ab of the edge member 3A so that the inner plate 2A does not protrude outward from the edge member 3A. There is no need to let them.
[0064]
The bone member 5 is formed by bending a plate material (stainless steel), and is attached to the inner surface 1Aa (surface on the passenger compartment side) of the outer plate 1A by welding, and the outer mounting portion 5a. It has a vertical wall portion 5b extending substantially vertically inward from one edge portion, and an inner attachment portion 5c extending in the opposite direction in parallel to the outer attachment portion 5a from the tip edge of the vertical wall portion 5b. In order to avoid buckling deformation between the bone member 5 and the edge member 4A, it is desirable to arrange the bone member 5 and the edge member 4A as close as possible.
[0065]
Further, as shown in FIG. 3B, an edge material 3A having a substantially U-shaped cross section and an edge material 3 'having a substantially Z-shaped cross section can be used in combination. In this case, the Z-shaped rim material 3 ′ includes an outer attachment portion 3a ′ bonded to the inner surface 1Aa of the outer plate 1A, and a vertical extension extending substantially vertically inward from the inner peripheral edge portion of the outer attachment portion 3a ′. The wall portion 3b ′ has an inner attachment portion 3c ′ that extends in parallel to the outer attachment portion 3a ′ from the front end edge of the vertical wall portion 3b ′ and is fixed to the inner surface 4Ba of the inner plate 4B by adhesion. .
[0066]
Further, a bone member 5A having a substantially U-shaped cross section is used, and an outer mounting portion 5Aa fixed by adhesion to the inner surface 1Aa (vehicle compartment side surface) of the outer plate 1A, and one edge portion of the outer mounting portion 5Aa A vertical wall portion 5Ab extending substantially vertically inward, and an inner mounting portion 5Ac extending in the same direction in parallel with the outer mounting portion 5Aa from the leading edge of the vertical wall portion 5Ab.
[0067]
Further, as shown in FIG. 3 (c), as the bone member, a bone member 5B having an outer mounting portion 5Ba and a vertical wall portion 5Bb and having a substantially L-shaped cross section or a bone body portion having a substantially U-shaped cross section. It is also possible to use a bone member 5C having a substantially hat-shaped cross section having 5Ca and two outer mounting portions 5Cb and 5Cc extending in opposite directions.
[0068]
Note that the structure according to the present invention has a flat plate structure in which only the outer plate exists between the edge member and the bone member, and it is necessary to ensure the necessary buckling strength also in this portion.
[0069]
First, the case where the buckling strength in the direction parallel to the bone member is ensured will be described.
[0070]
The buckling strength σcr of the flat plate shown in FIG. 4 is generally represented by the following formula (12).
[0071]
[Expression 14]
Figure 0003844701
The buckling coefficient K varies depending on the restraint conditions around the flat plate and the value of a / b, but when the plate length is sufficiently larger than the plate width b under the peripheral support conditions (a / b ≧ 1). Can be regarded as a buckling coefficient K = 4 as shown by a curve C ′ in FIG.
[0072]
Therefore, if K = 4,
[0073]
[Expression 15]
Figure 0003844701
It becomes.
[0074]
Only the outer plate of the structural element exists between the bone member of the bone element and the rim material of the structural element. However, if the plate width b satisfies the equation (1), the bone on the outer plate Necessary buckling strength in the direction parallel to the member can be ensured.
[0075]
Therefore, the compressive stress σc1 in the direction parallel to the bone member in the outer plate between the parallel bone member and the edge member adjacent to each other in the stainless steel plate having a thickness of 1.5 mm is 15 kgf / mm.2If it happens,
[0076]
[Expression 16]
Figure 0003844701
Therefore, the plate width b needs to be 103 mm or less.
[0077]
Next, in the case of ensuring the buckling strength in the direction orthogonal to the bone member, the plate length is sufficiently small with respect to the plate width b (a / b ≦ 0.5) and the direction orthogonal to the stress direction The buckling strength of a flat plate can be approximated as the buckling of a beam having a unit width. And the buckling strength of the beam of both-ends support conditions is represented by following Formula (13).
[0078]
[Expression 17]
Figure 0003844701
Furthermore, the sectional second moment I = t of the unit width of the flat plate having the thickness tThree/ 12, A = t, so
[0079]
[Formula 18]
Figure 0003844701
Therefore, in the outer plate existing between the bone member of the bone element and the edge member of the structural element, if the plate width b satisfies the above formula (2), the necessary buckling in the direction parallel to the bone member is required. Strength can be secured.
[0080]
Therefore, the compressive stress σc2 in the direction orthogonal to the bone member in the outer plate between the parallel bone member and the edge member adjacent to each other in the stainless steel plate having a thickness of 1.5 mm is 15 kgf / mm.2If it happens,
[0081]
[Equation 19]
Figure 0003844701
Therefore, the plate width b needs to be 49 mm or less.
[0082]
Next, an example of a railway vehicle using the structure structure will be specifically described with reference to the drawings.
(Example 1)
The example which implemented the structure structure which concerns on this invention in the side structure of a rail vehicle is shown in FIGS. That is, the side structure 21 of the railway vehicle has a window opening 22 formed in the upper part, and door openings 23 and 24 are formed on both front and rear sides of the window opening 22, respectively. A portion excluding the window opening 22 and the door openings 23 and 24 is divided into a plurality of sections (elastic bearings). That is, first and second sections S11 and S12 extending in the vertical direction are formed between the window opening 22 and the door openings 23 and 24, and the width of the window opening 22 is below the window opening 22. A third section S13 having a width substantially equal to is formed.
[0083]
Note that the reinforcing members 105A and 105B and the bone members 106C, 106D, 106F, and 106G are provided in the same manner as the conventional structure.
[0084]
Each of the sections S11 to S13 has a rectangular shape in side view having sides in the vehicle front-rear direction and the vertical direction, and each side has different edge members, that is, a pair of upper and lower edge members 3A1 to 3A1 extending in the front-rear direction. 3C1 and 3A2 to 3C2 and a pair of front and rear edge members 3A3 to 3C3 and 3A4 to 3C4 extending in the vertical direction. The inner plates 4A to 4C are fixed to the edge members 3A1 to 3C1, 3A2 to 3C2, 3A3 to 3C3, 3A4 to 3C4 by adhesion, and the core members 2A to 2C are held inside the outer plate 1. Yes. Adjacent inner plates 4A to 4C are not joined to each other.
[0085]
According to this structure, since the outer plate 1 is elastically supported on the inner surface side by the core members 4A to 4C, the buckling strength is increased as compared with the conventional structure in which the outer plate 1 is not supported as such. Since the reinforcement by many reinforcement members is not required like this, by reducing the number of reinforcement members, the amount of welding can be reduced and welding distortion and the impression of spot welding can be reduced significantly. That is, the same reinforcing member as the conventional one is used only for the door openings 23 and 24.
[0086]
In addition, since there is no restriction on the plate split when joining the outer plate when making the elastic support structure, the appearance of the outer plate is coupled with the fact that the seam of the outer plate can be eliminated and the welding amount and welding distortion can be reduced. This is advantageous for improvement. Since the core material 2 can use a heat insulating material (foamed plastic), the structure can be simplified and the weight can be reduced.
[0087]
Since no load acts on the inner plates 4A to 4C, the plate thickness can be made thinner than that of the outer plate 1 or a lightweight material such as fiber reinforced plastic or aluminum alloy can be used, which is advantageous in achieving a lightweight structure.
(Example 2)
The section having the elastic support structure as described above is not limited to that shown in FIG. 23, and may be configured as shown in FIGS. That is, the side structure 21 ′ of the railway vehicle is divided into two parts vertically between the window opening 22 and the door openings 23 and 24, with the vicinity of the lower side of the window opening 22 as a boundary. Fourth sections S21 to S24 may be formed, and the fifth to seventh sections S25 to S26 may be formed below the window opening 22 by dividing the section into three in the front-rear direction.
[0088]
Each of the sections S21 to S27 has a rectangular shape in a side view having sides in the vehicle front-rear direction and the up-down direction, as in the case of the above-described first embodiment. A pair of upper and lower edge members 3D1 to 3J1, 3D2 to 3J2 extending in the direction, and a pair of front and rear edge members 3D3 to 3J3 and 3D4 to 3J4 extending in the upper and lower direction. The inner plates 4D to 4J are fixed to the edge members 3D1 to 3J1, 3D2 to 3J2, 3D3 to 3J3, 3D4 to 3J4 by adhesion, and the core members 2D to 2J are held inside the outer plate 1. Yes.
(Example 3)
Moreover, the section made into the elastic support structure can also be comprised as shown in FIGS. 35-41. That is, the first and second sections S31 and S32 are between the window opening 22 and the door opening 23, and the third and fourth sections S33 are between the window opening 22 and the door opening 24. , S34 are formed vertically. That is, the outer plate 1 ′ is formed so as to be bent in a substantially U-shaped cross section so as to protrude outwardly in the middle part (downward) in the vertical direction, and the protruding part (bending part) is the boundary. The first and second sections S31 and S32 and the third and fourth sections S33 and S34 (elastic support portions) having a substantially rectangular shape in a side view are arranged above and below, respectively. Moreover, although the said protrusion part (bending part) is not elastically supported by the core material, since it is a curved-surface board, the required buckling strength is ensured.
[0089]
A fifth section S35 having a width substantially equal to the width of the window opening 22 is formed below the window opening 22. And each said division S31-S35 is made into the structural element (refer FIGS. 42-45) mentioned above for every division. In addition, door pockets 107 and 108 and door openings 23 and 24 are formed on both sides of the window opening 22 of the side structure 21 ', respectively, and side columns 106C and 106D or entrances attached to the outer plates at respective boundaries by welding. Columns 106F and 106G are provided to constitute a bone element (see FIGS. 46 to 49). The bone element 32 connects the bone members 106F, 106C, 106D, and 106G (see FIG. 35) in the vertical direction, the bone members 106H and 106I in the horizontal direction that connect the upper ends thereof, and the bone members 106C and 106D. The main part is comprised by the bone member 106J of the horizontal direction. Reference numeral 105H denotes a reinforcing member.
[0090]
The bone element 32 includes, as opening portions (portions where the bone member 106F or the like does not exist), opening portions W1 and W2 that become the door opening portions 23 and 24, an opening portion W3 where the window opening portion 22 is located, And a third opening W3 where the second section is located, a fourth opening W4 where the third and fourth sections are located, and a fifth opening W5 where the fifth section is located. .
[0091]
Each of the sections S31 to S35 has sides extending in the vehicle front-rear direction and the vehicle vertical direction, and is rectangular in side view. Each side of the sections S31 to S35 includes different edge members, that is, a pair of upper and lower edge members 3J1 to 3N1, 3J2 to 3N2, 3J3 to 3N3, and 3J4 to 3N4 extending in the vehicle front-rear direction.
[0092]
Edge materials 3J1 to 3N1, 3J2 to 3N2, 3J3 to 3N3, 3J4 to 3N4 are fixed to the peripheral portions of the core materials 2J to 2N by adhesion, and the core materials 2J to 2N are held inside the outer plate 1 ′. It has become. Inner plates 4J to 4N are bonded to the inner sides of the core materials 2J to 2N and the edge materials 3J1 to 3N1, 3J2 to 3N2, 3J3 to 3N3, 3J4 to 3N4. Adjacent inner plates 4J to 4N are not joined to each other.
[0093]
According to this structure, the outer plate 1 constituting the outer surface of the vehicle is elastically supported by the core members 2J to 2N on the inner surface side, so that it is buckled as compared with the conventional structure which is not elastically supported as such. Strength will be increased.
[0094]
Therefore, since the reinforcement by many reinforcement members is not required unlike the conventional structure, the amount of welding can be reduced by reducing the number of reinforcement members, and welding distortion and the impression of spot welding can be reduced significantly. .
[0095]
Further, when such an elastic support structure using the core materials 2J to 2N is used, the partitioning is determined regardless of the joint position of the outer plate, so that the outer plate is joined as long as the material dimensions of the outer plate allow. There is no need. Therefore, the joint of the outer plate can be eliminated, and in combination with the reduction of the welding amount and welding distortion, it is advantageous in improving the appearance.
[0096]
And since the said core material 2 (2J-2N) can use the heat insulating material (foaming plastics) which is a light material compared with outer plate | board 1 'which is a structural material, the simplification and weight reduction of a structure are possible. I can plan.
[0097]
In particular, since no load acts on the inner plates 4J to 4N, the plate thickness can be made thinner than that of the outer plate 1 ', or a lightweight material such as fiber reinforced plastic or aluminum alloy can be used. For this reason, it is advantageous to obtain a lightweight structure.
[0098]
Next, the structure according to the present invention (Examples 1 and 2) and the conventional structure are compared with respect to the reinforcing weight.
[0099]
To reduce weight, the inner plate is a 0.5 mm stainless steel plate whose thickness is 1/3 the thickness of the outer plate (stainless steel plate), and the core material (foamed plastic, specifically, urethane foam). ) Was 30 mm (constant).
[0100]
[Table 2]
Figure 0003844701
From Table 2, it can be seen that the density of the core material used has a great influence on the reinforcing weight. To achieve the same weight as the conventional structure, if the core is 30 mm thick, the density of the foamed plastic is 100 kg / m.ThreeSince the density of the foamed plastic is related to the mechanical properties of the foamed plastic, it is necessary to obtain an optimum value.
[0101]
The smaller the total number of partitions, the better the weight efficiency and the reduction of the number of members. Therefore, Example 1 is considered better than Example 2.
[0102]
Further, the structure according to the present invention (Example 3) and the conventional structure (conventional example) are compared in terms of reinforcement weight.
[0103]
For Example 3, the inner plate is a 0.5 mm stainless steel plate whose thickness is 1/3 the thickness of the outer plate (stainless steel plate), and the core material (foamed plastic, specifically, urethane foam). ) Is 30 mm (constant), and the reinforcing members 105A and 105B in the first and second embodiments are also eliminated.
[0104]
[Table 3]
Figure 0003844701
Table 3 also shows that the density of the core material used for the structure structure has a great influence on the reinforcing weight.
[0105]
As foam plastic, high density 200kg / mThreeEven if is used, the light weight structure is obtained as compared with the conventional structure.
[0106]
The above embodiment is applied to a stress skin structure that is considered to be the same as the structure of a railway vehicle. However, the present invention is not limited to this, and can be applied to, for example, an aircraft fuselage structure. is there.
[0107]
【The invention's effect】
The present invention is implemented as described above, and has the following effects.
[0108]
  The invention of claim 1An edge member for connecting an outer plate and an inner plate having a smaller area than the outer plate is provided along a peripheral edge of the inner plate, and a closed space surrounded by the outer plate, the inner plate, and the edge member is a core member (elastic core member) By satisfying withSince the outer plate is elastically supported, the buckling strength can be ensured without the reinforcing member welded to the outer plate. And mainly the number of reinforcing membersDecrease,The welding amount between the outer plate and the reinforcing memberDecrease,This is advantageous in reducing welding distortion.
  Since no load acts on the inner plate, it can be made thinner than the outer plate, or a lightweight material such as FRP or aluminum alloy can be used, which is advantageous in achieving a lightweight structure and reducing the weight of the structure. Can be planned.
[0109]
By using the core material according to claim 2, generally, a light material is used as the structural material, and by appropriately selecting the pitch of the edge material and the plate thickness and density of the core material, Weight reduction can be achieved. Moreover, since the said core material is foamed plastics which function as a heat insulating material, the space part formed between an outer plate and an inner plate can be used effectively, a heat insulating effect can be obtained, and the structure can be simplified. .
[0111]
  Also,Claim 3As described above, the rim material is made of fiber reinforced plastic, aluminum alloy, or stainless steel thinner than the outer plate.This will further reduce the weight of the structurebe able to.
[0112]
  Claim 4As described inThe structural element according to claim 1 constituting the railcar side structure and a bone element in which the bone members constituting the railcar side structure are vertically and horizontally integrated, and the inner plate of the structural elements A portion of the bone element is positioned at the open portion of the bone element (the interval between the bone member and the edge member is made as narrow as possible, and the thickness of the bone element is made larger than the thickness of the edge member) if,)For parts where the buckling strength of the outer plate is to be securedOf the structural elements, a part composed of a core material, an edge material and an inner plateBy adhering from the inside and making an elastic support structure using the elasticity of the core material,Of the outer skin, which is a structural materialThe required buckling strength can be ensured at the required site. Also,Part of the structural element consisting of a core material, an edge material and an inner plate (corresponding to the section described above)Since there is no need to join the outer plate between the two, the welding amount and welding distortion can be reduced, and the appearance can be improved.
[0113]
  In that case,Claim 5As described in the above, a part of the opening portion of the bone element is not covered with the structural element as a window opening,Claim 6As described in (1), it is possible to easily adopt a configuration in which a part of the opening portion of the bone element is used as an opening for entrance and exit without being covered with the structural element.
[0114]
  Claim 7In the case of having a portion bent so as to protrude outward in a convex shape on the side of the outer plate as described in Since the core material and the straight edge material can be used, the manufacture becomes easy.
[0115]
  Claims 8 and 9If the interval b between the bone member of the bone element and the edge member of the structural element is defined as described in the above, the outer plate between the bone member of the bone element and the edge member of the structural element is parallel to the bone member. Necessary buckling strength can be ensured in any direction or in the orthogonal direction.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A and 1B are diagrams showing structural elements according to the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram modeling the structural element (elastic bearing system) shown in FIG.
FIGS. 3A, 3B, and 3C are diagrams showing another example of a structure structure according to the present invention.
FIG. 4 is an explanatory view of calculation of buckling strength of an outer plate between a frame member of a structural element and a bone member of a bone element.
FIG. 5 is an explanatory diagram of a buckling coefficient.
6A and 6B show structural elements used for buckling strength analysis. FIG. 6A is a front view, and FIG. 6B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the bending rigidity EI of a panel per unit width and the buckling strength.
FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the square root of the spring constant per unit area and the buckling strength.
FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the weight per unit area of the panel and the buckling strength.
FIGS. 10A and 10B are diagrams showing constraint conditions for buckling strength analysis, and FIGS. 10A, 10B, and 9C show a case of buckling in the X direction, buckling in the Y direction, and shear buckling, respectively.
FIG. 11 is a diagram showing a deformation mode in the case of buckling in the X direction.
FIG. 12 is an explanatory diagram of the stress state of the outer plate in the case of buckling in the X direction.
FIG. 13 is an explanatory diagram of the stress state of the inner plate in the case of buckling in the X direction.
FIG. 14 is an explanatory diagram of a stress state of the core material in the case of buckling in the X direction.
FIG. 15 is a diagram showing a deformation mode in the case of buckling in the Y direction.
FIG. 16 is an explanatory diagram of the stress state of the outer plate in the case of buckling in the Y direction.
FIG. 17 is an explanatory diagram of the stress state of the inner plate in the case of buckling in the Y direction.
FIG. 18 is an explanatory diagram of the stress state of the core material in the case of buckling in the Y direction.
FIG. 19 is a diagram showing a deformation mode in the case of shear buckling.
FIG. 20 is an explanatory diagram of the stress state of the outer plate in the case of shear buckling.
FIG. 21 is an explanatory diagram of the stress state of the inner plate in the case of shear buckling.
FIG. 22 is an explanatory diagram of the stress state of the core material in the case of shear buckling.
FIG. 23 is a view seen from the inside of a side structure according to the present invention.
24 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
25 is a sectional view taken along line BB in FIG. 23. FIG.
26 is a cross-sectional view taken along line CC in FIG. 23. FIG.
FIG. 27 is a cross-sectional view taken along the line DD of FIG.
28 is an enlarged view of a portion E in FIG. 24. FIG.
FIG. 29 is an enlarged view of a portion F in FIG.
FIG. 30 is a view as seen from the inside of another side structure according to the present invention.
31 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
32 is a cross-sectional view taken along the line CC in FIG. 30. FIG.
33 is an enlarged view of a portion E in FIG. 31. FIG.
34 is an enlarged view of a portion F in FIG. 32. FIG.
FIG. 35 is a view similar to FIG. 23 for another embodiment according to the present invention.
36 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 35. FIG.
37 is a sectional view taken along line BB in FIG. 35. FIG.
38 is a cross-sectional view taken along the line CC in FIG. 35. FIG.
FIG. 39 is a cross-sectional view taken along the line DD of FIG.
40 is an enlarged view of a portion E in FIG. 36. FIG.
41 is an enlarged view of a portion F in FIG. 36. FIG.
FIG. 42 is a front view of a structural element according to the present invention.
43 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 42. FIG.
44 is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. 42. FIG.
45 is a cross-sectional view taken along line CC in FIG. 42. FIG.
FIG. 46 is a front view of a bone element according to the present invention.
47 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 46. FIG.
48 is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. 46. FIG.
49 is a cross-sectional view taken along line CC in FIG. 46. FIG.
FIG. 50 is a view similar to FIG. 23 for a conventional example.
51 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 50. FIG.
52 is a cross-sectional view taken along the line CC in FIG. 50. FIG.
[Explanation of symbols]
1,1 ', 1A outer plate
2 Core material
2A ~ 2O core material
3 Edge material
3-1-3-4 Edge material
3a Mounting part
3b Vertical wall
3c Mounting part
3A1-3O1 Edge material
3A2-3O2 rim material
3A3-3O3 rim material
3A4-3O4 rim material
4 inner plate
4A-4O inner plate
5 Bone members
21, 21 ', 21 "side structure
22 Window opening
23, 24 Door opening
31 Structural elements
32 Bone elements
S11-S13 section
S21-S26 section
S31-S35 section
W1-W5 opening

Claims (9)

構造材である外板と、前記外板より狭い面積の複数の内板と、前記外板と前記各内板との間に位置する前記外板と前記各内板と一体化した複数の縁材と、前記外板と、複数の内板及び縁材とによって構成される複数の閉鎖空間を満たす複数の芯材とからなり、前記各芯材は、前記外板と前記各内板の間にあって少なくともその両者に接着あるいは融着で合体され、他の構造材と一体化して鉄道車両用側構体をなすための構造要素であって、
前記外板は、ステンレス鋼からなる一方、前記各内板は、繊維強化プラスチック、アルミニウム合金又は前記外板の板厚の1/3以下の板厚を有するステンレス鋼からなり、互いに独立していることを特徴とする構造要素。
An outer plate that is a structural material, a plurality of inner plates that have a smaller area than the outer plate, and a plurality of edges that are integrated between the outer plate and the inner plates that are located between the outer plate and the inner plates A plurality of core members that satisfy a plurality of closed spaces constituted by a material, the outer plate, and a plurality of inner plates and edge members, and each of the core members is located between the outer plate and each of the inner plates. A structural element for forming a side structure for a railway vehicle by being combined with at least both of them by adhesion or fusion and integrated with other structural materials,
The outer plate, while a stainless steel, each inner plate, fiber reinforced plastic, Ri Do of stainless steel having a plate thickness of 1/3 or less of the thickness of the aluminum alloy or the outer plate, independently of each other structural elements, characterized in that there.
前記芯材は、断熱材として機能する発泡プラスチック又は木材からなる請求項1記載の構造要素。  The structural element according to claim 1, wherein the core material is made of foamed plastic or wood that functions as a heat insulating material. 前記縁材は、繊維強化プラスチック、アルミニウム合金又は前記外板より薄いステンレス鋼からなる請求項1記載の構造要素。  The structural element according to claim 1, wherein the edge member is made of fiber reinforced plastic, aluminum alloy, or stainless steel thinner than the outer plate. 鉄道車両用側構体を構成する請求項1記載の構造要素と、
前記鉄道車両用側構体を構成する骨部材を縦横に配置し一体化した骨要素とからなり、
前記構造要素のうち内板のある部分を、前記骨要素の開口している部分に位置させることを特徴とする構体構造。
The structural element according to claim 1, constituting a side structure for a railway vehicle,
The bone members constituting the railcar side structure are arranged vertically and horizontally and integrated with bone elements,
A structure structure characterized in that a portion of the structural element having an inner plate is positioned at a portion where the bone element is open.
前記骨要素の開口部分の一部を、前記構造要素で覆わずに窓用開口部とした請求項4記載の構体構造。  The structural structure according to claim 4, wherein a part of the opening portion of the bone element is not covered with the structural element but is used as a window opening. 前記骨要素の開口部分の一部を、前記構造要素で覆わずに出入り口用開口部とした請求項4記載の構体構造。  The structural structure according to claim 4, wherein a part of the opening portion of the bone element is not covered with the structural element but is used as an entrance / exit opening. 前記構造要素の外板に、凸状に外方に突出するように折れ曲がった部位が形成されている場合に、その折れ曲がった部位を境として、前記構造要素のうち前記芯材、縁材及び内板からなる部分がそれぞれ独立して設けられている請求項4記載の構体構造。  When the outer plate of the structural element is formed with a bent portion that protrudes outward in a convex shape, the core material, the edge material, and the inner member of the structural element are separated from the bent portion as a boundary. The structure according to claim 4, wherein the plate portions are provided independently. 隣り合う互いに平行な前記骨要素の骨部材と前記構造要素の縁材との間隔bが、次の関係式(1)を満足する請求項4記載の構体構造。
Figure 0003844701
5. The structure according to claim 4, wherein an interval b between adjacent bone members of the bone elements and the edge members of the structural elements that are parallel to each other satisfies the following relational expression (1).
Figure 0003844701
隣り合う互いに平行な前記骨要素の骨部材と前記構造要素の縁材との間隔bが、次の関係式(2)を満足する請求項4記載の構体構造。
Figure 0003844701
The structure according to claim 4, wherein an interval b between adjacent bone members of the bone elements that are parallel to each other and an edge member of the structural element satisfies the following relational expression (2).
Figure 0003844701
JP2002042772A 2001-07-30 2002-02-20 Structure element and structure structure using the same Expired - Fee Related JP3844701B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002042772A JP3844701B2 (en) 2001-07-30 2002-02-20 Structure element and structure structure using the same

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2001229741 2001-07-30
JP2001-229741 2001-07-30
JP2002042772A JP3844701B2 (en) 2001-07-30 2002-02-20 Structure element and structure structure using the same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2003112622A JP2003112622A (en) 2003-04-15
JP3844701B2 true JP3844701B2 (en) 2006-11-15

Family

ID=26619548

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2002042772A Expired - Fee Related JP3844701B2 (en) 2001-07-30 2002-02-20 Structure element and structure structure using the same

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3844701B2 (en)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4425079B2 (en) * 2004-07-13 2010-03-03 川崎重工業株式会社 Railcar structures
US8124908B2 (en) 2004-05-18 2012-02-28 Kawasaki Jukogyo Kabushiki Kaisha Laser welding method, laser-welded joint, outside sheathing panel, and body structure for rolling stock
CN102099236B (en) * 2009-03-30 2014-02-19 川崎重工业株式会社 Railroad vehicle body structure and method of manufacturing same
JP4703743B2 (en) * 2009-05-18 2011-06-15 川崎重工業株式会社 Railcar structures
JP5524644B2 (en) * 2010-02-01 2014-06-18 株式会社神戸製鋼所 Crane jib
KR102380826B1 (en) * 2017-11-01 2022-03-30 제이에프이 스틸 가부시키가이샤 Reinforcement structure and reinforcement method of automobile door panel parts
KR102480044B1 (en) * 2022-04-04 2022-12-21 주식회사 우드메탈 Storage furniture equipped with a moving shelf with functions to prevent bending and separation

Also Published As

Publication number Publication date
JP2003112622A (en) 2003-04-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5776451B2 (en) Vehicle body structure
JP6612684B2 (en) Car body side structure
JP6172848B2 (en) vehicle
JP6085966B2 (en) Upper body structure of the vehicle
JPH11166247A (en) Operation room for construction machinery
JP3844701B2 (en) Structure element and structure structure using the same
US6871903B2 (en) Structural element and body structure including the same
JP6485560B1 (en) Automotive frame parts
JP7038686B2 (en) Body side structure
JP4394921B2 (en) Hollow member reinforcement structure
JP2000211551A (en) Reinforcement structure for vehicular body skeleton member
JP4913619B2 (en) Vehicle panel structure
JP2010155539A (en) Structure of coupling part of dash panel with tunnel part
Krishna et al. Bending analysis of honeycomb sandwich panels with metallic face sheets and GFRP core
JP7347242B2 (en) Vehicle rear body structure
KR960000810B1 (en) Side panel structure for railway carriages
Kim Analysis of crash response of aluminium foam-filled front side rail of a passenger car
JP2014054950A (en) Railway vehicle body
JP5817385B2 (en) Vehicle body structure
JP4881936B2 (en) Body front structure
JP6726446B2 (en) Railway car
JP7264203B1 (en) floor cross member
JP2015199403A (en) frame structure for vehicle
CN218751021U (en) A post assembly and vehicle of vehicle
JP5509809B2 (en) Vehicle frame structure

Legal Events

Date Code Title Description
A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20041005

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20041102

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20041224

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20050621

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20050708

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20060104

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20060304

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20060815

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20060816

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100825

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110825

Year of fee payment: 5

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110825

Year of fee payment: 5

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120825

Year of fee payment: 6

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120825

Year of fee payment: 6

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130825

Year of fee payment: 7

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140825

Year of fee payment: 8

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees