JP3958760B2 - 鉄道車両用構体 - Google Patents

Description

本発明は、中空形材で構成される鉄道車両用構体に関するものである。

従来より、鉄道車両用構体は、高剛性の確保と軽量化という相反した二つの課題を達成するため、例えば、平板に骨部材を溶接したものが使用され、軽量で高剛性の骨部材を多数使用して構体の強度や剛性の向上を図っていた。ところが、こうした鉄道車両用構体は、部品点数が多く、溶接工数の増加を招き、コスト高であった。そのため、近年、例えば、図１０に示す中空形材で構成された鉄道車両用構体１００が使用されている。

鉄道車両用構体１００は、図１０に示すように、長手方向に対して左右の面を形成する側構体１０１と、車体長手方向に対して両端を閉鎖する面を形成する妻構体１０２と、屋根を形成する屋根構体１０３と、床面を形成する台枠１０４とからなり、それぞれ所定幅の薄肉の中空形材１０５を溶接して形成されている。中空形材１０５は、例えば、図１１に示すように、２枚の面板１０６，１０７を中板１０８で連結するよう押出成形で成形されたものであり、骨部材を省略することができるため、部品点数の削減と溶接工数の低減を図ることができる。

こうした中空形材１０５は、構体の強度や剛性を確保すると同時に軽量化を図るように、設計上の注意が払われている。すなわち、一般的に、中空形材１０５で鉄道車両用構体１００を構成する場合、構体の厚み（以下、「構体厚」という。）Ａ、面板の板厚Ｂ，Ｃ、中板の配置及び板厚Ｄを設計パラメータとするが、構体厚Ａについては、客室空間を最大限確保する観点から一様な構体厚を採用しており、構体強度・剛性の検討では、もっぱら２枚の面板１０６，１０７の板厚Ｂ，Ｃを変化させて対応している。このような中空形材１０５で構成された鉄道車両用構体１００の妻構体１０２には、他の鉄道車両用構体１００と連結するための図１０に示す連結器１０９が固設され、複数の鉄道車両用構体１００を連結器１０９で連結することにより鉄道車両が形成されている。
特開平１０−１９４１１７号公報（第２−３頁、図１、図２）

しかしながら、従来の鉄道車両用構体１００は、重力などに伴う垂直荷重や、鉄道車両がカーブするときなどに連結器１０９の取付部に作用する前後荷重に対して面板１０６，１０７の板厚Ｂ，Ｃを変化させて当該荷重に対応することが比較的容易で、ある程度の軽量化を図ることができるのに対し、気密荷重に対しては車体の断面方向に力が加えられるので、面板１０６，１０７の板厚Ｂ，Ｃを変えるだけでは、構体の強度や剛性の確保と軽量化とを十分に実現できない問題があった。

例えば、鉄道車両がトンネル入口に突入すると、トンネル内面と鉄道車両外面とで構成されるトンネル内空間において、空気圧が空間的に変化している。その空気圧が変化している空間を鉄道車両が通過するときに、各鉄道車両用構体１００は、客室空間の気密性が確保されているため、内部気圧がトンネル内の空気圧より高くなったり低くなったりして、構体周方向の力を受けるとともに、長手方向を回転軸とする曲げモーメントが作用する。そのため、トンネルに突入した鉄道車両用構体１００の各部には、構体周方向の力と曲げモーメントによって繰り返し応力が発生し、構体断面方向に波打つような変形が生ずる。

こうした事情の下、鉄道車両用構体１００が変形を繰り返して疲労破壊しないように、面板１０６，１０７の板厚Ｂ，Ｃが検討されるが、面板１０６，１０７の板厚Ｂ，Ｃを変えるだけでは、軽量化を図りつつ、構体の変形を小さくすることが困難であった。

そのため、気密性を確保した鉄道車両用構体１００では、気密荷重によって生じる構体周方向の力や曲げモーメントに応じて構体厚Ａを各部で適切なものとし、軽量化を図る必要性が生ずるが、鉄道車両の種類によって車体外形線が異なっていることや、開発に許容される時間などにより、これまで実験的、あるいは試行錯誤的に気密荷重に対する最適な構体厚分布を精度良く求めることは非常に難しいと考えられ、実際の車両設計では行われていなかった。

そこで本発明は、かかる課題を解決すべく、構体の軽量化と高剛性化とを同時に実現できる鉄道車両用構体を提供することを目的とする。

本発明に係る鉄道車両用構体は、外側面板と内側面板とを中板で連結した中空形材で構成された側構体および屋根構体が一体になって台枠上に設けられてなる構体であり、前記外側面板によって決定される車体外形線を所定の車体外形線の構体厚方向の位置とほぼ一致させ、前記内側面板の構体厚方向の位置を変化させて構体全体の形状を決定したものであって、前記屋根構体と前記側構体とを結合する肩部付近と、その肩部の両端に相当する肩部両端部分と、その肩部付近と肩部両端部分を除く前記屋根構体及び側構体のその他の部分とを比較した場合に、変形又は応力の大きい肩部付近はその他の部分よりも構体厚が厚く、変形又は応力が小さい肩部両端部分はその他の部分よりも構体厚が薄い形状のものであることを特徴とする。

鉄道車両用構体は、外側面板と内側面板に構体外部の空気圧と構体内部の空気圧が作用するので、鉄道車両用構体形状を決定する場合には、鉄道車両用構体に一定の力が外部と内部から作用することを条件としている。そこで、例えば鉄道車両用構体を有限な要素に分割し、各要素ごとに歪量と歪量から計算される応力の積を算出して、その総和を求める。この各要素の歪量と歪量から計算される応力の積の総和が小さいほど、歪みが鉄道車両用構体の全体に分散され、構体に集中応力が発生しにくいことを意味するので、各要素の歪量と歪量から計算される応力の積の総和が最小となるように各要素の形状を変更し、鉄道車両用構体の構体厚を歪量に応じて各部で変えて鉄道車両用構体形状を決定することができる。

本発明の鉄道車両用構体では、所定の車体外形形状を変化させることなく、荷重負担の大きい部分の構体厚を厚くして強度・剛性を向上させる一方、荷重負担の小さい部分の構体厚を強度・剛性を維持した状態で肉薄にするので、構体の強度・剛性を向上させつつ、構体重量の増加を抑えられる。
例えば、鉄道車両用構体の肩部のように折れ曲がった部分は、外力を受けた場合、外側面板が引張荷重を受け、内側面板が圧縮荷重を受けるため、直線的な部分と比較して応力が高い。そこで、上記鉄道車両用構体形状の決定方法で最適化することにより、肩部の構体厚を厚くする一方で、直線的な部分の構体厚を薄くして引張荷重や圧縮荷重に耐えうるようにするので、構体の強度・剛性の向上と軽量化とを十分に実現することができる。

次に、本発明の鉄道車両用構体の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図３は、最適化された鉄道車両用構体１０の側構体１及び屋根構体３の断面図を示す。図４は、初期形状の鉄道車両用構体２０の側構体２１及び屋根構体２３の断面図を示す。
図３に示す本実施の形態の鉄道車両用構体１０は、従来技術のものと同様に側構体１及び屋根構体３がアルミニウム合金製の中空形材５（図１１参照）を連結して構成されたものであるが、側構体１及び屋根構体３の構体厚Ａ、すなわち、外側面板６と内側面板７とで形成される構体の厚さ（図１１参照）を構体各部で変えている点で従来のものと相違する。よって、ここでは、鉄道車両用構体１０の具体的な構成に関する説明は省略し、図４に示すような鉄道車両用構体２０の構体厚Ａ（図１１参照）を変化させて形状を変化させるための鉄道車両用構体形状の決定方法を中心に説明する。

図２は、鉄道車両用構体形状の決定方法におけるブロック図である。
鉄道車両用構体形状の決定方法には、コンピュータ３０が用いられる。コンピュータ３０は、種々の演算や制御等を行うＣＰＵ３１に入出力装置３２や記憶装置３３などが接続されている。入出力装置３２は、データ等を入力したり、演算結果などを出力するものである。また、記憶装置３３は、入出力装置３２から入力された情報、ＣＰＵが演算した演算結果、プログラムなどを記憶するものである。

ここで、鉄道車両用構体１０において、初期形状（初期値として与えられる構体厚Ａ）と当該領域に与えられた境界条件（負荷荷重、拘束条件）によって発生するひずみ、応力に関し、連続体力学における平均コンプライアンス（Φ）と呼ばれる次のような式を考える。εはひずみ、Ｄは応力−ひずみの関係式、Ωは検討対象の領域である。

本実施の形態では、平均コンプライアンスが与えられた制約条件（体積、部分的な構体厚の固定、構体厚の最小値など）のもとで最小化された状態を最適であるとしている。平均コンプライアンスの最小化に関しては、例えば、日本機械学会論文集（Ａ編）６０巻５７８号（１９９４−１０）第１４４〜１５０頁に掲載する「線形弾性問題における領域最適化解析」に掲載されており、本実施の形態では、「線形弾性問題における領域最適化解析」に基づいて解析を行うプログラムを使用して鉄道車両用構体形状の最適化を図っている。尚、このプログラムは、コンピュータ３０の記憶装置３３に記憶されている。

「線形弾性問題における領域最適化解析」では、線形弾性体の領域形状を設計変数にした領域最適化問題を連続体のままで定式化しておいて、分布系の最適化理論を適用することによって導出される領域変動の支配方程式を基礎にして領域最適化問題にアプローチしている。数値解析法は、支配方程式を解くための方法として定式化され、その１つの方法として力法が提案されている。力法は、領域変動の支配方程式を線形弾性問題の境界値問題に置き換えて解くために、有限要素法などが利用できる点で実用的である。支配方程式に現れる形状勾配関数も有限要素法などを利用して解析することができる。
そこで、「線形弾性問題における領域最適化解析」は、平均コンプライアンスの最小化問題を定式化し、それに対する最適性基準と最適化基準に基づいて算出される形状勾配関数を明らかにした上で、形状勾配関数を用いた力法を線形弾性体の領域問題に適用している。

線形弾性連続体の領域最小化問題を取り扱うのに際して、「線形弾性問題における領域最適化解析」では、平均コンプライアンスを目的汎関数に選んでいる。この場合、後で示すように領域最適化問題が自己随伴問題となり、形状勾配関数が線形弾性変形の解である変位だけによって評価できることになる。この意味で、平均コンプライアンスは力学的に単純な目的汎関数であると考えることができる。

平均コンプライアンスの最小化問題は、次のようにして定式化される。
線形連続体に作用する外力と物体力との関係は数４のようになり、線形連続体を変位させる重力などの関係は、数５のようになる。ここで、Ωは領域を示し、ｕは線形連続体の変位を示し、ｆは物体力を示し、ｈは強制変位を示し、Ｐは表面力を示している。境界値問題に対する弱形式あるいは変分形式は、数２のように表される。

但し、双一次形式ａ（υ，ω）と一次形式ｌ（ω），ｌh（ω）は数３〜数５のように定義する。

また、Ｈｏｏｋｅ剛性Ｃ∈Ｌ∽（Ω；Ｒn4）は次のような対称性と正定値性を次式のように仮定している。ここで、Ｌ∽（Ω；Ｒn）は、有界可積分Ｌｅｂｅｓｇｕｅ関数空間を表す。

そして、分布関数Ｃ，ｆ，ｈ，Ｐが領域変動に対して一意に決定されると仮定すると、仮定した領域変動に対して、一意に決定されるＣ∈Ｃ1（Ｄ；Ｒn4），ｆ，ｈ，Ｐ∈Ｃ1（Ｄ；Ｒn）と領域の大きさに対する上限値Ｍ∈Ｒ+が与えられているとき、平均コンプライアンスは数７のように表される。

そして、数７で表される平均コンプライアンスが最小となる領域Ω3を求める場合には、数８に示す状態方程式及び数９に示す質量制約を満たす必要がある。

次に、最適性基準を求める。
最適性基準は、Ｌａｇｒａｎｇｅ定数を適用して導出される。数８の等式制約条件式のＬａｇｒａｎｇｅ定数にはωを利用して、数９の不等式制約条件式のＬａｇｒａｎｇｅ定数にはΛを用いると、平均コンプライアンスの最小化問題は、数１０に示すＬａｇｒａｎｇｅ関数の停留化問題に書き換えることができる。

Ｌａｇｒａｎｇｅ関数の領域変動に対する導関数は数１１のように表すことができる。

ここで、Ｃ，ｆ，ｈ，Ｐが領域変動に対して一意であれば、ｌG（Ｖ）はベクトル関数Ｇを係数関数とする速度場Ｖの一次形式で数１２のように与えられることになる。

Ｇは、領域変動を与える速度場に対する目的汎関数の感度係数を与えるベクトル関数という意味で、形状勾配関数と呼ばれ、Ｃ，ｆ，ｈが空間固定、ｈ＝ｏｉｎＤ、物質共変Ｐ＋Ｐkυn＝ｏ（つまり、場所によって重力や物性が変化しないこと）と仮定したときのＧを具体的に求めると、数１３のようになる。

ここで、Ｌａｇｒａｎｇｅ関数Ｌの停留条件は、数１１に基づいて数１４〜数１８のようになる。

数１４から数１８を見ると、数１４は数２に示す状態方程式υ＝ｕ−ｈと一致したｖの支配方程式になっている。また、数１５は、ωについての支配方程式になっている。両者を比較すると 数１９に示す関係が得られる。

そして、計算を簡略化するために物体力は考えず、また、数１９を数１３に適用すると、数２０の関係が得られる。

かくしてＬａｇｒａｎｇｅ関数の導関数が形状勾配関数Ｇを係数とする速度場Ｖの一次形式で与えられたので、形状勾配関数Ｇを用いた力法の適用が可能となる。力法では、初期領域Ωからｋ回目の領域変動を行うことを考えたときの領域変動を表すＶ(k)を数２１に示す支配方程式に基づいて解析する。

数２１に示す支配方程式で決定された領域変動Ｖ(k)は、Ｌａｇｒａｎｇｅ関数Ｌを減少させる。すなわち、数２１に示す領域変動解析の支配方程式は、境界あるいは領域に力−Ｇを作用させたときの変位分布として領域変動を与える速度場Ｖが解析されることを示している。

続いて、本実施の形態の鉄道車両用構体形状の決定方法について、図面を参照しながら説明する。図１は、鉄道車両用構体形状の決定方法のフローチャートであり、図５は、図４のＨ部を示すものであって、有限の要素を仮想的に表した概念図である。
鉄道車両用構体形状の決定方法は、コンピュータ３０のＣＰＵ３１が記憶手段３３からプログラムを読み込んで、図１に示すフローチャートの処理を実行することにより行われる。そこで、鉄道車両用構体形状の決定方法では、まず、図１のステップ１（以下、「Ｓ１」いう。）において初期形状解析モデル（有限要素法）を入出力装置３２から入力し、記憶装置３３に記憶する。

具体的には、図５に示すように、鉄道車両用構体２０の全体を有限な要素Ｅに分割し、各要素Ｅの節点●に座標データを付け、例えば、４個の節点●（ｉ〜ｌ）を一組にする旨の有限要素法の要素情報を入力する。そして、外側面板６と内側面板７で構成される構体厚Ａ（図１１参照）の初期値を５０ｍｍに設定し、鉄道車両用構体２０の材料特性としてアルミニウム合金のヤング率及びポアソン比を入力する。そして、強度解析などを行う際に利用される境界条件として拘束条件と荷重条件を入力する。拘束条件としては、図４に示す台枠側梁に相当する部分２５を固定すること、及び、鉄道車両用構体２０の中心線Ｍに対称条件を加えることを入力する。ここで、対称条件を加えるのは、演算量を減らして、演算時間を短縮するためである。また、荷重条件としては、気密荷重を想定して鉄道車両用構体２０の外側に等分布荷重Ｓを与えることを入力する。

次に、Ｓ２において、鉄道車両用構体２０の強度解析を行う。強度解析は、コンピュータ３０のＣＰＵ３１がＳ１で記憶装置３３に記憶された初期形状解析モデルを読み出し、それに基づいて各要素Ｅ毎の歪量及び発生応力を算出して行う。

次に、Ｓ３において、感度解析を行う。感度解析では、コンピュータ３０のＣＰＵ３１が形状勾配関数Ｇを上記力法を利用した数２２に基づいて求める。

この数２２から求められる形状勾配関数Ｇは、図５に示す各要素Ｅの境界面上に分布する法線方向を向いたベクトル関数である。ここで、式に現れる変数の値は、Ｓ２の強度解析の解析結果から得られるものであり、ｆは物体力、ｅは弾性テンソル、ｕは変位、ΛはＬａｇｒａｎｇｅ定数である。

そして、Ｓ４において、収束判定を行う。収束判定は、感度解析を実行して得られた感度が十分小さいか否かで判断される。感度が十分小さいと判断した場合には（Ｓ４：ＹＥＳ）、処理を終了する。一方、感度が十分小さくないと判断した場合には（Ｓ４：ＮＯ）、Ｓ５へ進み、形状変更における制約条件が入力されているか否かを判断する。制約条件が入力されていると判断した場合（Ｓ５：ＹＥＳ）には、そのままＳ７へ進む。

一方、制約条件が入力されていないと判断した場合（Ｓ５：ＮＯ）には、Ｓ６において、制約条件として形状の変更を許さない点、移動方向の制約、体積（三次元の問題）又は面積（二次元の問題）を入出力装置３２から入力して記憶装置３３に記憶させてから、Ｓ７へ進む。具体的な制約条件としては、例えば、側構体２１と屋根構体２３を構成する中空形材５の外側面板６（図１１参照）から４０ｍｍの厚さに位置する節点●の移動を許さないこと、各要素Ｅの節点（図５参照）をｘ方向のみに（一次元的に）移動させること、及び、外側面板６と内側面板７で囲まれる面積を初期形状と同一にすることを入力する。ここで、側構体２１と屋根構体２３を構成する中空形材５の外側面板６（図１１参照）から４０ｍｍの厚さを固定するとしたのは、構体厚Ａが４０ｍｍ以下になることを回避するためである。また、各要素Ｅの節点（図５参照）をｘ方向のみに（一次元的に）移動させるのは、各要素Ｅを構体厚Ａ方向に伸縮させるようにして車両外形線を変動させないようにするためである。

そして、Ｓ７において、鉄道車両用構体２０の形状を変更する。具体的には、コンピュータ３０のＣＰＵ３１は、記憶装置３３に記憶された制約条件を読み出し、形状勾配関数Ｇの大きさに比例して各要素Ｅの境界面に力を加えて、節点●（図５参照）を移動させ、記憶装置３３に記憶された節点●の座標データを書き換える。これにより、各要素Ｅの大きさや形状が変わり、鉄道車両用構体２０の形状が初期形状と変化する。鉄道車両用構体２０の形状を変更したら、Ｓ３へ戻って処理を繰り返す。

こうした鉄道車両用構体形状の決定方法は、以下のように動作する。
図４に示すように、一様な構体厚Ａで形成された初期形状の鉄道車両用構体２０を有限な要素Ｅに分割し、各節点●の座標データ、有限要素法の要素情報、アルミニウム合金のヤング率・ポアソン比などの初期形状解析モデルを入力して強度解析を求め、初期形状解析モデル及び強度解析結果に基づいて形状勾配関数Ｇを求める（Ｓ１〜Ｓ３）。

収束判定において感度が十分に小さくない場合、すなわち、形状勾配関数Ｇが急激な勾配を有する場合には、制約条件に基づいて鉄道車両用構体２０の形状を変更する（Ｓ４：ＮＯ、Ｓ５：ＹＥＳ、Ｓ７）。
具体的には、例えば、形状勾配関数Ｇが局部的に大きい場合は、その形状勾配関数Ｇが大きい部分について、側構体２１及び屋根構体２３の外側から４０ｍｍの節点●を移動させないことや、節点●の移動方向がｘ方向に限定されていることなどの制約条件に基づいて、側構体２１及び屋根構体２３の内側から１０ｍｍ以内の部分における要素Ｅの節点●を内向きに移動させ、要素Ｅの大きさを小さくして要素数を増やす。また、外側面板６と内側面板７との間の面積が一定である制約条件があるので、形状勾配関数Ｇが小さい部分について、側構体２１及び屋根構体２３の内側から１０ｍｍ以内の部分における要素Ｅの節点●を外向きに移動させ、要素Ｅの大きさを大きくして要素数を減らす。こうして要素Ｅの分割方法を変更したら、移動させた節点●の座標データを書き換える。これにより、要素数が増加した部分は構体厚Ａが厚くなり、要素数が減少した部分は構体厚Ａが薄くなるため、初期形状の鉄道車両用構体２０の形状が変更される。鉄道車両用構体２０の形状を変更したら、Ｓ３へ戻って処理を繰り返す。これら一連の処理は、収束判定において感度が十分小さいと判断されるまで自動的に行われる。

そして、収束判定において感度が十分小さくなったと判断された場合、すなわち、形状勾配関数Ｇの勾配が小さくなった場合には、処理が終了し（Ｓ４：ＹＥＳ）、図３に示すように最適化された鉄道車両用構体１０が入出力装置３２に出力される。つまり、図４に示す鉄道車両用構体２０では、例えば、側構体２１と屋根構体２３との連結部分、すなわち、構体の折れ曲がった部分（以下、「肩部」という。）２４に外圧が負荷された場合は、外側面板６に引張応力が作用し、内側面板７に圧縮応力が発生するため、疲労破壊しやすいが、図１に示す処理を実行することにより、図４に示す鉄道車両用構体２０の肩部２４が、図３に示す鉄道車両用構体１０の肩部１４のように肉厚にされる。その反面、図３に示す鉄道車両用構体１０では、肩部３４の両端に相当する部分１６，１７が図４に示す鉄道車両用構体２０より肉薄にされる。

ところで、発明者は、最適化された鉄道車両用構体１０の変位及び応力に関する特性を確認するために、図４に示す初期形状の鉄道車両用構体２０と図３に示す最適化された鉄道車両用構体１０の変位量を比較した。図６は、初期形状の鉄道車両用構体２０の変位図であり、点線で原型を示し、実線で変形状態を示す。図７は、最適化された鉄道車両用構体２０の変位図であり、点線で原型を示し、実線で変形状態を示す。

本実験では、鉄道車両用構体１０，２０の外側に９８ｋＰａの等分布荷重を与えた。
その結果、初期形状の鉄道車両用構体２０では、図６に示すように、側構体２１は殆ど変形せず、鉄道車両用構体２０の肩部２４から屋根構体２３が大きく変形している。特に、屋根構体２３の中心部で変形が大きく、その変位量Ｔ１は約３．２７ｍｍである。それに対して、最適化された鉄道車両用構体１０では、図７に示すように、側構体１及び屋根構体３の全体が変形しており、歪みを側構体１と屋根構体３に分散させている。そのため、屋根構体３の中心部では、変位量Ｔ２が約１．４８ｍｍである。
よって、最適化された鉄道車両用構体１０と初期形状の鉄道車両用構体２０の屋根構体３，２３の中心部における変位を比較すると、最適化された鉄道車両用構体１０は、初期形状の鉄道車両用構体２０より変位量が約５５％減少することが判明した。

また、発明者は、初期形状の鉄道車両用構体２０と最適化された鉄道車両用構体１０における応力分布についても調べた。図８は、初期形状の鉄道車両用構体２０の側構体２１及び屋根構体２３の最大応力を示す応力図であり、図９は、最適化された鉄道車両用構体１０の側構体１及び屋根構体３の最大応力を示す応力図である。

本実験では、鉄道車両用構体１０，２０の外側に９８ｋＰａの等分布荷重を与えた。
その結果、初期形状の鉄道車両用構体２０では、図８に示すように、肩部２４において、外側面板６で発生する応力より内側面板７で発生する応力の方が低くなっていることがわかる。このように外側面板６と内側面板７とで発生する応力が不均衡であると、応力の低い内側面板７に応力が集中し、内側面板７が疲労破壊しやすい問題がある。それに対して、最適化された鉄道車両用構体１０では、図９に示すように、肩部１４において、外側面板６と内側面板７で発生する応力が殆ど均一であり、外側面板６と内側面板７のいずれか一方に応力が集中する問題が回避されている。そして、最適化された鉄道車両用構体１０は、側構体１が初期形状の鉄道車両用構体２０の側構体２１より肉薄になっても、初期形状の鉄道車両用構体２０の側構体２１とほぼ同じ応力が発生している。
よって、最適化された鉄道車両用構体１０は、初期形状の鉄道車両用構体２０と比較して、荷重負担の大きい部分を肉厚にして強度・剛性を向上させる一方、荷重負担の小さい部分を強度・剛性を維持した状態で肉薄にするので、構体の強度・剛性を向上させつつ、構体重量の増加を抑えられることがわかる。

よって、本実施の形態の鉄道車両用構体１０は、初期形状の鉄道車両用構体２０に一定の応力が外部と内部から作用することを条件として、鉄道車両用構体２０を有限な要素Ｅに分割し、形状勾配関数Ｇを算出して、形状勾配関数Ｇの演算結果が収束するように、すなわち、各要素ごとに歪量と歪量から計算される応力の積を算出し、その総和が小さくなるように鉄道車両用構体２０の形状を変化させるので、構体に発生した歪みが構体全体に分散され、外側面板６や内側面板７の板厚Ｂ，Ｃ（図１１参照）を一様に厚くしなくても、構体の強度・剛性を確保することができる。

その際、外側面板６の形状を一定とし、内側面板７の形状を変えて、初期形状の鉄道車両用構体２０の形状を変えるので、最適化された鉄道車両用構体１０は、初期形状の鉄道車両用構体２０の外形線を変えることなく、構体厚Ａを変化させており、各々の鉄道車両用構体２０の外形線に合わせて、構体の強度・剛性を確保することができる。

また、外側面板６と内側面板７との間の面積が一定になるように初期形状の鉄道車両用構体２０の形状を変更しており、一の要素Ｅの形状を大きくすると、他の要素Ｅの形状が小さくなり、外側面板６と内側面板７とで形成される構体厚Ａが必要以上に厚くなることがないので、構体全体の強度・剛性を確保しても、構体重量が殆ど増加せず、軽量化を実現することができる。

そして、最適化された鉄道車両用構体１０では、構体各部の歪量に応じて構体各部の構体厚Ａを変えられているので、外側面板６や内側面板７の板厚を一様に厚くしなくても、構体の強度・剛性を確保することができる。

また、最適化された鉄道車両用構体１０では、例えば、肩部１４は、外側面板６が引張荷重を受け、内側面板７が圧縮荷重を受けるが、それらの荷重に対応しうるように肉厚に形成しており、必要な部分の構体厚Ａを必要な分だけ厚くしているので、構体の強度・剛性の確保と軽量化とを十分実現することができる。また、肩部２４に接続する部分１６，１７を強度・剛性を確保した状態で肉薄にするので、構体全体の強度・剛性を確保しても、構体重量が殆ど増加せず、軽量化を実現することができる。

なお、本発明は、実施形態のものに限定されるわけではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能であることはいうまでもない。

本実施の形態の鉄道車両用構体に係り、鉄道車両用構体形状の決定方法のフローチャートである。 同じく、鉄道車両用構体形状の決定方法におけるブロック図である。 同じく、最適化された鉄道車両用構体の側構体及び屋根構体の断面図である。 同じく、初期形状の鉄道車両用構体の側構体及び屋根構体の断面図である。 同じく、図４のＨ部を示すものであって、有限の要素を仮想的に表した概念図である。 同じく、初期形状の鉄道車両用構体の側構体及び屋根構体の変位図であり、点線で原型を示し、実線で変形状態を示す。 同じく、最適化された鉄道車両用構体の側構体及び屋根構体の変位図であり、点線で原型を示し、実線で変形状態を示す。 同じく、初期形状の鉄道車両用構体の側構体及び屋根構体の最大応力を示す応力図である。 同じく、最適化された鉄道車両用構体の側構体及び屋根構体の最大応力を示す応力図である。 鉄道車両用構体の外観斜視図である。 中空形材の拡大断面図である。

符号の説明

１ 側構体
３ 屋根構体
５ 中空形材
６ 外側面板
７ 内側面板
８ 中板
１０ 鉄道車両用構体
１４ 肩
３０ コンピュータ
Ａ 構体厚
Ｅ 要素

Claims (1)

1. 外側面板と内側面板とを中板で連結した中空形材で構成された側構体および屋根構体が一体になって台枠上に設けられてなる鉄道車両用構体において、
   前記外側面板によって決定される車体外形線を所定の車体外形線の構体厚方向の位置とほぼ一致させ、前記内側面板の構体厚方向の位置を変化させて構体全体の形状を決定したものであって、
   前記屋根構体と前記側構体とを結合する肩部付近と、その肩部の両端に相当する肩部両端部分と、その肩部付近と肩部両端部分を除く前記屋根構体及び側構体のその他の部分とを比較した場合に、変形又は応力の大きい肩部付近はその他の部分よりも構体厚が厚く、変形又は応力が小さい肩部両端部分はその他の部分よりも構体厚が薄い形状のものであることを特徴とする鉄道車両用構体。

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