JP4747140B2 - Method for obtaining pressure waveform for top shape of high-speed railway vehicle - Google Patents

Method for obtaining pressure waveform for top shape of high-speed railway vehicle Download PDF

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Description

本発明は、高速走行する新幹線(登録商標)のような高速鉄道車両がトンネル突入する際にトンネル内で発生する圧力波の波形を求め、もってこの圧力波に起因するトンネル微気圧波を緩和する工夫を行うことに関し、特に三次元で特定された先頭部形状による圧力波形を高精度で短時間に求める方法に関する。 The present invention obtains a waveform of a pressure wave generated in a tunnel when a high-speed railway vehicle such as a Shinkansen (registered trademark) traveling at a high speed enters the tunnel, thereby relaxing a tunnel micro-pressure wave caused by the pressure wave. In particular, the present invention relates to a method for obtaining a pressure waveform with a head shape specified in three dimensions with high accuracy in a short time.

高速鉄道車両の課題の一つに、トンネルに突入することに伴って発生するトンネル微気圧波がある。このトンネル微気圧波は、高速鉄道車両がトンネルに突入することによって、主に当該トンネルの出口の近隣で観測される音波であり、可聴周波数(20Hz以上)の成分と超低周波数(5Hz〜20Hz)の成分を含んでいる。トンネル微気圧波の圧力振幅は列車速度の3乗に比例するので、高速走行化が進む現代において重要な課題となっている。その課題解決策は、如何にして車両の先頭部形状を決定するかにある。   One of the problems with high-speed rail cars is the tunnel micro-pressure wave that is generated when entering a tunnel. This tunnel micro-pressure wave is a sound wave that is mainly observed in the vicinity of the exit of the tunnel when a high-speed railway vehicle enters the tunnel. The component is an audible frequency (20 Hz or higher) and an ultra-low frequency (5 Hz to 20 Hz). ) Component. Since the pressure amplitude of the tunnel micro-pressure wave is proportional to the cube of the train speed, it is an important issue in the present day when high-speed traveling is progressing. The solution to this problem is how to determine the shape of the head of the vehicle.

トンネル微気圧波の振幅は、トンネル出口に到達した圧力波(トンネルに沿って進行する音波)の時間変化率(トンネルの壁面で静止して観測した場合)に比例する性質がある。そのため、トンネル微気圧波を低減するには、トンネル突入時に発生する圧力波の時間変化率(圧力勾配)を低減させることが必要である。その基本的な対策としては、車体の断面積を縮小するか、車体の先頭部を長くすることが考えられるが、いずれも客室の居住性を損なうので適切な解決方法ではない。そこで、本出願人は、下記特許文献1,2の先頭部形状を提案している。 The amplitude of the tunnel micro-pressure wave is proportional to the time rate of change of the pressure wave (sound traveling along the tunnel) reaching the tunnel exit (when observed stationary on the wall of the tunnel). Therefore, in order to reduce the tunnel micro-pressure wave, it is necessary to reduce the rate of time change (pressure gradient) of the pressure wave generated when entering the tunnel. As a basic measure, it is conceivable to reduce the cross-sectional area of the vehicle body or lengthen the head part of the vehicle body, but none of these are appropriate solutions because they impair the comfort of the cabin. Therefore, the present applicant has proposed the shape of the leading portion of Patent Documents 1 and 2 below.

特許文献1では、先頭部形状の最適横断面積分布を求めるに当たり、軸対称モデルを用いて解析を行っている。つまり、トンネル形状の断面積と一致するようにして円筒形状内に、車両の先頭部形状と断面積分布を一致させた円柱体を突入させ、それによって生じる圧力勾配について検討を行った。
また、特許文献2では、先頭部形状決定に当たり、所定の先頭部形状をベースにして、圧力勾配分布が理想の台形形状になることを目指して三次元的な変形を加えて検討を行った。すなわち、高速鉄道車両の先頭部形状が三次元的にどのような特徴を持った形状であることが圧力勾配の低減に好ましいかを、様々な三次元的変化を加えた確認作業によって検討した。
特開2002−308092号公報 特開2007−050746号公報
In Patent Document 1, in obtaining the optimum cross-sectional area distribution of the head shape, analysis is performed using an axisymmetric model. In other words, a cylindrical body having a cross-sectional area distribution matched with the head shape of the vehicle was entered into the cylindrical shape so as to coincide with the cross-sectional area of the tunnel shape, and the pressure gradient generated thereby was examined.
In Patent Document 2, per the determination of the head portion shape, and based on the predetermined head portion shape, a pressure gradient distribution was studied by adding three-dimensional deformation aims to be a trapezoidal shape of the ideal . In other words, the three-dimensional characteristics of the shape of the top portion of the high-speed railway vehicle were considered to be preferable for reducing the pressure gradient by examining the confirmation work with various three-dimensional changes.
JP 2002-308092 A JP 2007-050746 A

しかし、高速鉄道車両の先頭部形状を設計する場合、近似方法である軸対称体での形状の工夫、すなわち最適な断面積分布を求めてそこから任意の三次元形状を設計する方法では、実際に三次元体にした場合の改善効果が軸対称体での改善効果ほどには得られない。これは、軸対称化の近似に由来する誤差のため、実際の三次元形状の特性を把握していないためである。軸対称近似による形状の工夫では精度不足となってトンネル微気圧波の原因である圧力波の勾配を低減する効果に限界がある。   However, when designing the shape of the top part of a high-speed railway vehicle, the shape of the axisymmetric body, which is an approximation method, that is, the method of finding an optimal cross-sectional area distribution and designing an arbitrary three-dimensional shape from it, However, the improvement effect in the case of a three-dimensional body cannot be obtained as much as the improvement effect in the axially symmetric body. This is because the characteristic of the actual three-dimensional shape is not grasped due to an error derived from the approximation of axial symmetry. Ingenuity of the shape by the axisymmetric approximation is insufficient in accuracy, and there is a limit to the effect of reducing the gradient of the pressure wave that causes the tunnel micro-pressure wave.

一方、精度改善のために、三次元的な形状の先頭部形状について列車がトンネルに突入する際の空気の流れを計算機でシミュレーションすれば圧力波形が高精度で得られるが、計算量が大きく1パターンにつき十数時間を要することが課題である。その最適化をするためには、三次元の場合、設計の自由度(例えば数千パターン)が大きく、現象そのものが複雑であるため、計算量(作業量)が莫大になってしまい、非常に長い時間を要し、コストがかかるものとなってしまっていた。また、三次元的な形状の工夫は、断面積(断面積変化率)のような分かりやすい指標がないために、形状的な特徴とその影響が定量化しづらいという問題があった。   On the other hand, in order to improve the accuracy, the pressure waveform can be obtained with high accuracy by simulating the air flow when the train enters the tunnel with respect to the three-dimensional shape of the head shape, but the calculation amount is large. The problem is that it takes more than 10 hours per pattern. In order to perform the optimization, in the case of 3D, since the degree of freedom of design (for example, several thousand patterns) is large and the phenomenon itself is complicated, the calculation amount (work amount) becomes enormous, It took a long time and was costly. Further, the device of the three-dimensional shape has a problem that it is difficult to quantify the shape characteristic and its influence because there is no easy-to-understand index such as the cross-sectional area (cross-sectional area change rate).

そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、先頭部形状に対する圧力勾配の見積もりを短時間に行うことが可能なトンネル突入時に発生する圧力波形の求め方を提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for obtaining a pressure waveform generated at the time of entering a tunnel, in which a pressure gradient with respect to the shape of the head portion can be estimated in a short time in order to solve such a problem.

本発明に係る高速鉄道車両の先頭部形状について圧力波形を求める方法は、高速鉄道車両における先端から進行方向に直交する断面が最大となる当該進行方向位置までの先頭部について形状を三次元で特定し、その任意に作成された先頭部形状の高速鉄道車両がトンネルへ突入する際に発生する圧力波形を求める方法であり、車両進行方向のx軸に直交するy−z投影面上で任意に細分された領域を代表する複数位置において、単位量の断面積変化がもたらす圧力波のインパルス応答を求め、当該インパルス応答をデータベースとして保存し、前記任意に作成された先頭部形状について、当該先頭部形状の細分された領域ごとの領域断面積変化率と、前記データベースの対応するインパルス応答とを畳み込み積分して総和することを特徴とする。 The method for obtaining the pressure waveform for the top shape of the high-speed rail vehicle according to the present invention is to specify the shape in three dimensions for the top portion from the tip of the high-speed rail vehicle to the travel direction position where the cross section orthogonal to the travel direction is maximum. This is a method for obtaining a pressure waveform generated when the arbitrarily created high-speed railway vehicle having the top shape enters the tunnel, and is arbitrarily selected on the yz projection plane orthogonal to the x axis in the vehicle traveling direction. The impulse response of the pressure wave caused by the change in the cross-sectional area of the unit amount is obtained at a plurality of positions representing the subdivided region, the impulse response is stored as a database, and the head portion is created for the arbitrarily created head portion shape. The area cross-sectional area change rate for each subdivided area of the shape and the corresponding impulse response of the database are convolved and integrated to be summed. .

また、本発明に係る高速鉄道車両の先頭部形状について圧力波形を求める方法は、高速鉄道車両における先端から進行方向に直交する断面が最大となる当該進行方向位置までの先頭部について形状を三次元で特定し、その任意に作成された先頭部形状の高速鉄道車両がトンネルへ突入する際に発生する圧力波形を求める方法であり、車両進行方向のx軸に直交するy−z投影面上の任意の複数位置において、単位量の断面積変化がもたらす圧力波のインパルス応答を求め、当該インパルス応答をデータベースとして保存し、座標(y,z)を代表するインパルス応答を前記データベースに基づきr(X,y,z)として関数で表現し、座標(y,z)における前記先頭部形状の外表面のx座標をu(y,z)として関数で表現し、y−z平面に車両を投影したときに車両が存在する領域σにおいて、
の積分計算をすることによって、前記任意に作成された先頭部形状の圧力波形q(X)を求めることを特徴とする。
In addition, the method for obtaining a pressure waveform for the shape of the leading portion of the high-speed railway vehicle according to the present invention is a three-dimensional shape for the leading portion from the tip of the high-speed rail vehicle to the traveling direction position where the cross section orthogonal to the traveling direction is maximum. This is a method for obtaining a pressure waveform generated when a head-shaped high-speed rail car that is arbitrarily created and enters the tunnel, and is on a yz projection plane orthogonal to the x-axis in the vehicle traveling direction. An impulse response of a pressure wave caused by a change in cross-sectional area of a unit amount is obtained at an arbitrary plurality of positions , the impulse response is stored as a database, and an impulse response representing coordinates (y, z) is represented by r (X , Y, z) as a function, the x coordinate of the outer surface of the head shape in coordinates (y, z) as a function as u (y, z), and the vehicle on the yz plane In the region σ where the vehicle exists when
The pressure waveform q (X) of the arbitrarily created head shape is obtained by performing the integral calculation.

また、本発明に係る高速鉄道車両の先頭部形状について圧力波形を求める方法は、高速鉄道車両における先端から進行方向に直交する断面が最大となる当該進行方向位置までの先頭部について形状を三次元で特定し、その任意に作成された先頭部形状の高速鉄道車両がトンネルへ突入する際に発生する圧力波形を求める方法であり、車両進行方向のx軸に直交するy−z投影面上の任意の複数位置において、単位量の断面積変化がもたらす圧力波のインパルス応答を求め、当該インパルス応答をデータベースとして保存し、座標(y,z)を代表するインパルス応答を前記データベースに基づきr(X,y,z)として関数で表現し、座標(y,z)における前記先頭部形状の外表面のx座標をu(y,z)として関数で表現し、座標xの位置で前記先頭部形状を切断した車体外形線で囲まれた面積をA(x)とし、トンネルの断面積をSとした場合に、y−z平面に車両を投影したときに車両が存在する領域σにおいて、
の積分計算をすることによって、前記任意に作成された先頭部形状の圧力波形q(X)を求めることを特徴とする。
In addition, the method for obtaining a pressure waveform for the shape of the leading portion of the high-speed railway vehicle according to the present invention is a three-dimensional shape for the leading portion from the tip of the high-speed rail vehicle to the traveling direction position where the cross section orthogonal to the traveling direction is maximum. This is a method for obtaining a pressure waveform generated when a head-shaped high-speed rail car that is arbitrarily created and enters the tunnel, and is on a yz projection plane orthogonal to the x-axis in the vehicle traveling direction. An impulse response of a pressure wave caused by a change in cross-sectional area of a unit amount is obtained at an arbitrary plurality of positions , the impulse response is stored as a database, and an impulse response representing coordinates (y, z) is represented by r (X , Y, z), expressed as a function, and the x coordinate of the outer surface of the head shape at coordinates (y, z) is expressed as a function as u (y, z). The area σ where the vehicle is present when the vehicle is projected onto the yz plane, where A (x) is the area surrounded by the vehicle body outline cut from the top shape and S is the cross-sectional area of the tunnel In
The pressure waveform q (X) of the arbitrarily created head shape is obtained by performing the integral calculation.

また、本発明に係る高速鉄道車両の先頭部形状について圧力波形を求める方法は、前記データベースに保存されているインパルス応答以外のy−z投影面上位置のインパルス応答は、データベースに保存されているインパルス応答から補間によって求めることを特徴とする高速鉄道車両の先頭部形状について圧力波形を求めることが好ましい。 Further, in the method for obtaining the pressure waveform for the top shape of the high-speed rail vehicle according to the present invention, impulse responses at positions on the yz projection plane other than the impulse response stored in the database are stored in the database. It is preferable to obtain the pressure waveform for the top shape of the high-speed railway vehicle, which is obtained by interpolation from the impulse response.

また、本発明に係る先頭部形状の最適化方法は、前記のいずれかに記載する方法によって圧力波形が求められた高速鉄道車両の先頭部形状について最適化を行う方法であり、前記圧力波形を導き出したインパルス応答の原点位置をX軸に沿って移動させることによって前記圧力波形を変化させる手続きを複数回行い、その複数の手続きによって得られた圧力波形から、より優れた値を示す圧力波形を選択し、その選択した圧力波形におけるインパルス応答の波形の移動量に相当する量だけ車両表面の形状を変位させて新たな先頭部形状を求めることを特徴とする。   The head shape optimization method according to the present invention is a method for optimizing the head shape of a high-speed railway vehicle for which a pressure waveform is obtained by any of the methods described above. A procedure for changing the pressure waveform by moving the origin position of the derived impulse response along the X axis is performed a plurality of times, and a pressure waveform showing a superior value is obtained from the pressure waveforms obtained by the plurality of procedures. And selecting a new head portion shape by displacing the shape of the vehicle surface by an amount corresponding to the amount of movement of the impulse response waveform in the selected pressure waveform.

また、本発明に係る先頭部形状の最適化方法は、前記インパルス応答のX軸に沿った移動は、好ましい圧力波形と前記圧力波形との差を2乗して、任意に設定した波形上の評価区間で積分したものを残差とし、その残差をゼロに近づけるようにすることが好ましい。
また、本発明に係る先頭部形状の最適化方法は、前記インパルス応答のX軸に沿った移動に際して当該インパルス応答をX座標で微分し、最適な移動方向と移動量とを微分値に基づいて求めるようにすることが好ましい。
In the optimization method of the head shape according to the present invention, the movement of the impulse response along the X axis is performed by squaring the difference between the preferable pressure waveform and the pressure waveform, and on an arbitrarily set waveform. It is preferable to make the residue integrated in the evaluation interval a residual and bring the residual close to zero.
Further, the head shape optimization method according to the present invention differentiates the impulse response with respect to the X-coordinate when the impulse response moves along the X-axis, and determines the optimum moving direction and amount of movement based on the differential value. It is preferable to obtain it.

また、本発明に係る先頭部形状は、前記いずれかの先頭部形状の最適化方法によって得られたものであることが好ましい。   Moreover, it is preferable that the head part shape according to the present invention is obtained by any one of the head part shape optimization methods.

よって、本発明によれば、データベース化したインパルス応答を利用することで、三次元で作成された高速鉄道車両の先頭部形状について短時間に圧力波形を得て、その圧力勾配についての確認、すなわちトンネル微気圧波に関する影響を確認することができる。
また、本発明によれば、インパルス応答をX軸上で移動させる処理によって、最適化した先頭部形状を短時間で作成することが可能になる。
Therefore, according to the present invention, by using the impulse response created in the database, a pressure waveform is obtained in a short time for the top part shape of the high-speed railway vehicle created in three dimensions, and the pressure gradient is confirmed, that is, The effect on tunnel micro-pressure wave can be confirmed.
Further, according to the present invention, an optimized head shape can be created in a short time by the process of moving the impulse response on the X axis.

次に、本発明に係る圧力波形の求め方について、図面を参照しながら以下に説明する。ここで先ず、異なる先頭部形状(パターン1〜4)によって生じる、時速270km/h走行時の圧縮波の圧力勾配分布について図22に示した。車両先頭部のトンネル突入時に生じる圧縮波の圧力勾配分布を示したものであり、具体的にはトンネル内の所定箇所で観測した圧縮波の圧力変化を時間で微分したものである。縦軸に圧力勾配をとり、横軸には時間をとっている。なお、この図22に示す例では列車速度が270km/hであり、以下に示すその他の例では列車速度は300km/hであるが、こうした列車速度の違いは、圧力波形の大きさと勾配の違いをもたらすものの、以下に述べる事柄については本質的な違いはない。   Next, a method for obtaining a pressure waveform according to the present invention will be described below with reference to the drawings. First, FIG. 22 shows the pressure gradient distribution of the compression wave when traveling at a speed of 270 km / h, which is caused by different head shapes (patterns 1 to 4). It shows the pressure gradient distribution of the compression wave generated at the time of entry into the tunnel at the head of the vehicle. Specifically, the pressure change of the compression wave observed at a predetermined location in the tunnel is differentiated with respect to time. The vertical axis represents the pressure gradient, and the horizontal axis represents time. In the example shown in FIG. 22, the train speed is 270 km / h, and in the other examples shown below, the train speed is 300 km / h. The difference in the train speed is the difference between the magnitude of the pressure waveform and the gradient. However, there is no essential difference in what is described below.

図22においてvは車両速度であり、Lは車両の先頭部長さである。観測点における時刻の原点0は、トンネル入口にレール方向と直交するように固定して定めた基準面を車両先端が通過した瞬間に発生した音波がその観測点に到達した時刻としている。従って、観測点がトンネル入口から距離Bだけ侵入した位置にあるとすると、音速をsとすればB/sだけ車両の突入からは時刻がずれている。   In FIG. 22, v is the vehicle speed, and L is the length of the leading portion of the vehicle. The origin 0 of the time at the observation point is the time when the sound wave generated at the moment when the vehicle tip passes through the reference plane fixed at a tunnel entrance so as to be orthogonal to the rail direction reaches the observation point. Therefore, if the observation point is at a position where the distance B has entered from the tunnel entrance, the time is deviated from the entry of the vehicle by B / s if the speed of sound is s.

鉄道車両のトンネル突入によって発生する微気圧波は、こうして表現される圧力勾配に比例するため、微気圧波を低減させるには圧力勾配の最大値を低下させることが有効である。そこで、先頭部形状を設計するに当たっては、図22に示すパターン4のように極大部P11,P12の値と谷部T10の値との差を小さくすることにより、最大値を低減した圧力勾配の波形(以下、「圧力波形」という)となるようにすることが目標となる。   Since the micro-pressure wave generated when the railway vehicle enters the tunnel is proportional to the pressure gradient expressed in this way, it is effective to reduce the maximum value of the pressure gradient in order to reduce the micro-pressure wave. Therefore, in designing the head portion shape, the pressure gradient with the maximum value reduced is reduced by reducing the difference between the values of the maximum portions P11 and P12 and the value of the valley portion T10 as in the pattern 4 shown in FIG. The goal is to have a waveform (hereinafter referred to as “pressure waveform”).

これは、車両の最大断面積(一般部を進行方向に直交する面で切断した外形線に囲まれる面積)が同じであれば、同一トンネルを同一速度で走行させた場合に生じる圧力変化(圧力勾配を積分したもので、圧力波形曲線と横軸との間の面積)が一定だからである。そこで、鉄道車両の先頭部形状を決定するに当たっては、三次元的に作成した何パターンもの先頭部形状について、図22に示すような圧力波形を求め、トンネル微気圧波に対する特性の確認が行われる。その際、設計した先頭部形状について、その都度、圧力波形を算出する必要があるが、本実施形態では、任意の先頭部形状について、簡単に圧力波形を求める方法を提供する。   If the maximum cross-sectional area of the vehicle (the area surrounded by the outline cut by the plane perpendicular to the traveling direction) is the same, the pressure change (pressure) that occurs when the same tunnel is run at the same speed This is because the gradient is integrated, and the area between the pressure waveform curve and the horizontal axis is constant. Therefore, when determining the shape of the head of the railway vehicle, the pressure waveform as shown in FIG. 22 is obtained for the three-dimensionally created head shape of the pattern, and the characteristics against the tunnel micro-pressure wave are confirmed. . At this time, it is necessary to calculate a pressure waveform for each designed head portion shape. In this embodiment, a method for easily obtaining a pressure waveform for an arbitrary head portion shape is provided.

ここで、図1は、高速鉄道車両の先頭部形状を示した側面図である。なお、車両先頭部について三次元形状を考える場合、レールに沿った車両の前後方向をx(最も車両先端にあたる点を原点として後方を正とする)、xに直交する枕木に沿った車両の幅方向をy、そしてx−y平面に直交する地面に対して鉛直な車両高さ方向をzとする。   Here, FIG. 1 is a side view showing the shape of the leading portion of the high-speed railway vehicle. When considering the three-dimensional shape of the vehicle head, the vehicle longitudinal direction along the rail is x (the point closest to the vehicle tip is the origin and the rear is positive), and the vehicle width along the sleeper orthogonal to x The direction is y, and the vehicle height direction perpendicular to the ground perpendicular to the xy plane is z.

本実施形態では、先ず特定の先頭部形状とは関係なく、車両進行方向のx軸に直交するy−z平面上に投影したトンネル入口形状を考え、その投影面上の任意の位置において、単位量の断面積変化がもたらす圧力波のインパルス応答を調べる。インパルス応答は、次のような仮想実験によって求める。図2は、そのインパルス応答を求めるに当たり、打ち込み体のトンネル突入をイメージした図である。また、図3は、y−z平面において、そのインパルス応答のサンプル点を示した図である。インパルス応答とは、トンネル100に対し、先端を丸めた円柱状の物体(打ち込み体)10が打ち込まれた場合、その各打ち込み体10によって生じる圧力波勾配をいう。   In the present embodiment, first, the tunnel entrance shape projected on the yz plane orthogonal to the x axis in the vehicle traveling direction is considered regardless of the specific head shape, and at any position on the projection plane, the unit Examine the impulse response of the pressure wave caused by the change in the cross-sectional area of the quantity. The impulse response is obtained by the following virtual experiment. FIG. 2 is a diagram illustrating the tunnel entry of the driving body in obtaining the impulse response. FIG. 3 is a diagram showing sample points of the impulse response in the yz plane. The impulse response refers to a pressure wave gradient generated by each driving body 10 when a cylindrical object (driving body) 10 having a rounded tip is driven into the tunnel 100.

インパルス応答のサンプル点は、先頭部形状による圧力波を求めるために精度的に必要な位置の数だけy−z平面内に設定する。本実施形態では、図2及び図3に示すように25箇所とした。25箇所のサンプル点は、鉄道車両がトンネル100を通過する位置に対応して配置され、図示するように一般部断面の外形線20に合わせて格子状に配置させている。そして、このy−z平面では、レール面高さをz=0とし、車両の幅方向の中心位置をy=0として、図示するように高さ方向座標値Zと幅方向座標値Yの位置にそれぞれのサンプル点が設定されている。 The sample points of the impulse response are set in the yz plane by the number of positions that are accurately required for obtaining the pressure wave due to the head shape. In this embodiment, there are 25 locations as shown in FIGS. The 25 sample points are arranged corresponding to the position where the railway vehicle passes through the tunnel 100, and are arranged in a lattice shape in accordance with the outline 20 of the general section as shown in the figure. In this yz plane, the height of the rail surface is set to z = 0, the center position in the width direction of the vehicle is set to y = 0, and the height direction coordinate value Z and the width direction coordinate value Y are set as shown in the figure. Each sample point is set at a position.

打ち込み体10は、上下左右方向に力を生じさせないように軸対称で形成されている。具体的には、図4に示すように先端が回転放物面で形成された半無限長の円柱形状で、トンネル100の断面積に比べて十分に細く形成され、最大径の部分で直径が200mmである。先端から100mmの位置で断面積最大で、先端から100mmまでの区間は断面積変化率が一定になるようにした回転放物面である。そして、その後方は、境界層が気流を排除する体積分を相殺するため、後方にいくほど細く絞るように形成されている。絞り方は、理論解による初期形状からシミュレーションを繰り返して試行錯誤の末に定められ、図示するように、先端からの距離 Xn(mm)の位置で直径φn(mm)となっている(n=1,2,3…)。 The driving body 10 is formed so as to be axisymmetric so as not to generate force in the vertical and horizontal directions. Specifically, as shown in FIG. 4, it is a semi-infinite cylindrical shape whose tip is formed of a paraboloid of revolution, and is formed to be sufficiently thin compared to the cross-sectional area of the tunnel 100, with a diameter at the maximum diameter portion. 200 mm. A section having a maximum cross-sectional area at a position of 100 mm from the tip and a section from the tip to 100 mm is a paraboloid of revolution with a constant cross-sectional area change rate. And the back is formed so that it may narrow down so that it may go to back in order to cancel the volume which a boundary layer excludes air current. The method of squeezing is determined after trial and error by repeating simulation from the initial shape based on the theoretical solution, and has a diameter φn (mm) at the position of the distance Xn (mm) from the tip as shown in the figure (n = 1, 2, 3 ...).

この打ち込み体10がトンネル100内のサンプル位置に列車速度と同じ速度U=83.333m/sで打ち込まれることによって、図5に示すような波形の圧力波、すなわちインパルス応答が発生する。ここでは、25箇所のサンプル点のうち5箇所について示しているが、実際には25箇所の打ち込みによって各々に生じるインパルス応答が得られる。25箇所のサンプル点は、図3に示すように下から上へ、そして左から右へ順に1〜25の番号が付されている。そして図5には、その中から抜き出した中間高さの番号3,8,13,18,23で示された5箇所のインパルス応答が代表的に示されている。   When this driving body 10 is driven into the sample position in the tunnel 100 at the same speed U = 83.333 m / s as the train speed, a pressure wave having a waveform as shown in FIG. 5, that is, an impulse response is generated. Here, five of the 25 sample points are shown, but in actuality, impulse responses generated by the 25 locations are obtained. The 25 sample points are numbered 1 to 25 in order from bottom to top and from left to right as shown in FIG. FIG. 5 representatively shows five impulse responses indicated by intermediate height numbers 3, 8, 13, 18, and 23 extracted from them.

打ち込み体10によるインパルス応答は、例えばCFD解析など、従来からの方法を利用して求められる。インパルス応答は、トンネル入口付近の近傍効果および打ち込み体近傍の局所的な伝播の影響を受けず、かつ、有限振幅音波の波形が非線形効果によって伝播中に変形しない限度においてトンネル入口から侵入した位置のトンネル壁面に設けた測定点で観測した圧力波勾配を打ち込み体の投影面積で除したものである。   The impulse response by the driving body 10 is obtained using a conventional method such as CFD analysis. The impulse response is not affected by the proximity effect near the tunnel entrance and the local propagation near the driving object, and the position where the finite amplitude sound wave penetrates from the tunnel entrance to the extent that it does not deform during propagation due to the nonlinear effect. The pressure wave gradient observed at the measurement point provided on the tunnel wall is divided by the projected area of the driven object.

図5に示すインパルス応答は、打ち込み体10の先端がトンネル入口にレール方向と直交するように固定して定めた基準面を通過する時刻に発生した圧力波面が前記測定点に達した時刻を原点とし、そこからの経過時間に列車速度Uを乗じたものを波形上の位置を示す軸Xを横軸として示している。観測の原データとしての圧力波形は時間軸上で表現されるものであるが、このように換算することによって列車と同じ縮尺の座標系xに重ねることができ、X軸とx座標を同一視して表現している。すなわち、X軸とx座標の関係は、列車の座標xの位置がトンネル入口の前記基準面を通過した瞬間に発生した音波が波形グラフ上の横軸X位置に記録されるものであり、このことからXは長さと同じ次元を有し圧力波源の相当位置を表す。   The impulse response shown in FIG. 5 is based on the time when the pressure wavefront generated at the time when the tip of the driving body 10 passes through a reference plane fixed and fixed at the tunnel entrance so as to be orthogonal to the rail direction reaches the measurement point. The axis X indicating the position on the waveform is shown as the horizontal axis obtained by multiplying the elapsed time from that by the train speed U. The pressure waveform as the original data of observation is expressed on the time axis, but by converting in this way, it can be superimposed on the coordinate system x of the same scale as the train, and the X axis and the x coordinate are regarded as the same. To express. That is, the relationship between the X axis and the x coordinate is that the sound wave generated at the moment when the position of the coordinate x of the train passes the reference plane at the tunnel entrance is recorded at the X position on the horizontal axis on the waveform graph. Therefore, X has the same dimension as the length and represents the corresponding position of the pressure wave source.

また、各サンプル点のインパルス応答の波形は、積分した面積が全て同じ値になる。圧力勾配波形の原データは[圧力÷時間÷面積]の次元を有しており、時間軸をX軸上に座標変換した状態では[圧力÷長さ÷面積]の次元を有しているが、図5では、積分した面積が「1」になるように正規化して[1÷長さ]の次元を有するものとして表現されている。なお、インパルス応答はXについて無限の定義域で定義されるものであり、このことを前提に積分式などを提示するが、計算上有意な振幅を示すXの範囲は原点を含む有限の区間でありその両端に存在する裾の部分は無視しても差し支えない。図5で示す応答は、X→−∞において [{(X^2)+S/π}^(-3/2)]の定数倍の関数に漸近する。また、X→∞においては0に漸近する。実際は、X=11m付近で最大値の100万分の1程度になる。   Further, the waveform of the impulse response at each sample point has the same integrated area. The original data of the pressure gradient waveform has a dimension of [pressure divided by time divided by area], and the dimension of [pressure divided by length divided by area] when the time axis is coordinate-converted on the X axis. In FIG. 5, the integrated area is normalized to be “1” and expressed as having a dimension of [1 ÷ length]. The impulse response is defined in an infinite domain with respect to X. Based on this assumption, an integration formula is presented, but the range of X indicating a significant amplitude in calculation is a finite interval including the origin. There is no problem in ignoring the hems at both ends. The response shown in FIG. 5 asymptotically approaches a function of a constant multiple of [{(X ^ 2) + S / π} ^ (-3/2)] in X → −∞. Also, asymptotically approaches 0 in X → ∞. Actually, it becomes about 1 / 1,000,000 of the maximum value near X = 11 m.

この図5に示したインパルス応答の波形から分かることは、トンネル100に対する打ち込み体10のy−z平面における突入位置、すなわちサンプル点の位置によってインパルス応答が異なるということである。特に、トンネル100の壁面に近いサンプル点3は、インパルス応答のピーク値が大きく、逆にトンネル壁面から遠ざかるほどピーク値が小さくなっている。そして、トンネル100の側面に近い程、打ち込み体10の先端の通過後に値の下がる傾斜が急である。   It can be understood from the waveform of the impulse response shown in FIG. 5 that the impulse response differs depending on the entry position of the driving body 10 with respect to the tunnel 100 in the yz plane, that is, the position of the sample point. In particular, the sample point 3 close to the wall surface of the tunnel 100 has a large impulse response peak value, and conversely, the peak value decreases as the distance from the tunnel wall surface increases. Then, the closer to the side surface of the tunnel 100, the steeper the slope decreases after passing through the tip of the driving body 10.

また、インパルス応答は、トンネル内で打ち込み体10がトンネル入口基準面を通過するかなり前のXが負の位置から緩やかに立ち上がっており、それと比べると通過後は短い経過距離の間に減衰することが分かる。また、トンネル側面に近いサンプル点3のインパルス応答は、打ち込み体10の先端がトンネル入口基準面を通過した後に一旦マイナスになって再び上昇している。このことから、インパルス応答は、入口側開口部での自由端反射波による膨張波成分やトンネル入口面上において、サンプル点から直近のトンネル壁面(図3左側)と反対の壁面(図3右側)を反射して戻った反射圧縮波の影響を受けていることが分かる。インパルス応答は、このようにトンネル突入の際にトンネル入口付近で生じる三次元的な音の反射や回折などの波動現象を再現していることが、本手法の精度を高めている。   In addition, the impulse response is such that X before the driving object 10 passes through the tunnel entrance reference plane rises gently from the negative position in the tunnel, and is attenuated within a short elapsed distance after passing. I understand. Further, the impulse response at the sample point 3 near the side surface of the tunnel once becomes negative and rises again after the tip of the driving body 10 passes through the tunnel entrance reference plane. From this, the impulse response is the expansion wave component due to the free-end reflected wave at the opening on the entrance side and the wall surface (right side of FIG. 3) opposite to the tunnel wall surface (left side of FIG. 3) closest to the sample point on the tunnel entrance surface. It can be seen that it is affected by the reflected compression wave that has reflected and returned. The impulse response reproduces wave phenomena such as three-dimensional sound reflection and diffraction that occur in the vicinity of the tunnel entrance at the time of entering the tunnel in this way, which enhances the accuracy of this method.

このような、各サンプル位置のインパルス応答について、波形の尖り具合をピークの高さで比較すると、車体幅方向(y方向)では、前述したようにトンネル側面に近い例えばサンプル点3側のピークが高くなっている。そして、図5には示していないが、車体高さ方向(z方向)では、高い位置のサンプル点ほどピークが高くなる結果が得られた。従って、インパルス応答は、そのサンプル位置によって異なり、位置による不均一性があることが分かった。そして、本実施形態では、こうした複数のサンプル点について求めたインパルス応答をデータベースとして保存し、これらを任意の先頭部形状に従って合成することにより、トンネル突入による当該先頭部形状の圧力波形を求める。   For such an impulse response at each sample position, when comparing the sharpness of the waveform with the peak height, in the vehicle body width direction (y direction), as described above, for example, the peak on the sample point 3 side close to the tunnel side surface is obtained. It is high. Although not shown in FIG. 5, in the vehicle body height direction (z direction), a result was obtained in which the peak was higher at a higher sample point. Therefore, it was found that the impulse response differs depending on the sample position, and there is nonuniformity depending on the position. And in this embodiment, the impulse response calculated | required about these some sample points is preserve | saved as a database, The pressure waveform of the said head part shape by tunnel entry is calculated | required by synthesize | combining these according to arbitrary head part shapes.

先頭部形状が生成する圧力勾配波形q(X)は、y−z投影面上の座標(y,z)を代表するインパルス応答r(X,y,z)と先頭部形状を特定する関数u(y,z)を用いて次に示す数1式の積分計算によって求めることができる。圧力勾配波形q(X)の横軸はインパルス応答と同様にX軸上に座標変換したものである。なお、次式の積分範囲σはy−z平面に車両を投影したときに車両が存在する領域である。また、データベースには前述したようにサンプル点のインパルス応答しか存在しないため、それ以外の箇所のインパルス応答については、データベースのインパルス応答を利用して補間によって求める。
The pressure gradient waveform q (X) generated by the head shape is an impulse response r (X, y, z) representing coordinates (y, z) on the yz projection plane and a function u that specifies the head shape. Using (y, z), it can be obtained by the integral calculation of the following equation (1). The horizontal axis of the pressure gradient waveform q (X) is obtained by coordinate conversion on the X axis in the same manner as the impulse response. The integration range σ in the following equation is a region where the vehicle exists when the vehicle is projected onto the yz plane. Further, since the database has only the impulse response at the sample point as described above, the impulse responses at other locations are obtained by interpolation using the impulse response of the database.

車両先頭部の三次元形状については、例えば図6に示すように、正面から見た等高線によるコンター図が作成される。これは、y−z平面上に、車両先頭部のx座標(先端を原点として後方が正の座標系)に対応した車両表面位置がプロットされている。こうしてy−z投影面上に車両表面のx座標値がyとzの関数u(y,z)によって特定され、先頭部形状を表現している。   For the three-dimensional shape of the vehicle head, for example, as shown in FIG. 6, a contour map is created with contour lines viewed from the front. In this case, the vehicle surface position corresponding to the x coordinate of the vehicle head portion (the coordinate system with the front end as the origin and the rear is positive) is plotted on the yz plane. Thus, the x-coordinate value of the vehicle surface is specified on the yz projection plane by the function u (y, z) of y and z, and expresses the head portion shape.

ところで、本実施形態では、車両断面積が圧力波形に与える影響が線形であって、各部分が生成する圧力波形の合成によって全体の圧力波形が近似されることを仮定して数1式を導き出している。そこで先ず、導出の過程を説明する。図7及び図8は、本実施形態の三次元形状の圧力波形について、インパルス応答を利用した前記数1式の考え方を示した図である。特に、図7は、軸対称モデルでの断面積応答の考え方を示した図であり、図8は、インパルス応答を利用した三次元モデルでの断面積応答の考え方を示した図である。すなわち、y−z平面において必要なだけ分割した領域のインパルス応答を考えた場合、分割を微小にすると、任意の断面位置での応答についての積分に帰着する。   By the way, in this embodiment, Formula 1 is derived on the assumption that the influence of the vehicle cross-sectional area on the pressure waveform is linear, and that the entire pressure waveform is approximated by the synthesis of the pressure waveform generated by each part. ing. First, the derivation process will be described. FIGS. 7 and 8 are views showing the concept of the formula 1 using an impulse response for the three-dimensional pressure waveform of the present embodiment. In particular, FIG. 7 is a diagram showing the concept of the cross-sectional area response in the axisymmetric model, and FIG. 8 is a diagram showing the concept of the cross-sectional area response in the three-dimensional model using the impulse response. That is, when considering the impulse response of a region divided as necessary in the yz plane, if the division is made minute, the result is integration with respect to the response at an arbitrary cross-sectional position.

そして、ここでもx座標を車両先端が0で後方側を正とする。入力は断面積変化率s(x)=dA/dxであり、出力は圧力を圧力波源の相当位置(座標X)に座標変換して表現したp(X)をXで微分したq(X)=dp(X)/dXである。なお、断面積変化率s(x)は面積を長さで割った次元を有し、q(X)は圧力を長さで割った次元を有する。   Also here, the x coordinate is 0 at the front end of the vehicle and positive at the rear side. The input is the cross-sectional area change rate s (x) = dA / dx, and the output is q (X) obtained by differentiating p (X) expressed by converting the pressure into the corresponding position (coordinate X) of the pressure wave source. = Dp (X) / dX. The cross-sectional area change rate s (x) has a dimension obtained by dividing the area by the length, and q (X) has a dimension obtained by dividing the pressure by the length.

また、インパルス応答r(X)は、「単位面積当たりのq」すなわち圧力を体積で割った次元を有し、列車速度とトンネル形状に依存する。速度とトンネル断面積については所定の計算式で正規化することができ、トンネルの代表直径の逆数で表現できると推定される。
r(X)〜(比例係数)・(ρU2 /S)・Q[X/D]
ρは空気密度、Sはトンネルの断面積、Qは波形を示す関数であってトンネル形状に対する列車の突入位置の相対的な幾何形状が不変であれば縮尺を変更しても変化しないと考えられる関数、Dはトンネルの直径を代表する寸法で、例えばトンネル断面積と同一の面積を有する円の直径である。さらにUとSの効果を正規化すると、r(X)を積分した値は定数であり、図5に示す波形と同様の方法で積分値が「1」となるように正規化した波形はトンネルの代表直径Dが大きいほど、グラフのピークはそれに反比例し、頂が低くなって裾が広がる。
Further, the impulse response r (X) has “q per unit area”, that is, a dimension obtained by dividing the pressure by the volume, and depends on the train speed and the tunnel shape. The velocity and tunnel cross-sectional area can be normalized by a predetermined calculation formula, and it is estimated that it can be expressed by the reciprocal of the representative diameter of the tunnel.
r (X) to (proportional coefficient) · (ρU 2 / S) · Q [X / D]
ρ is the air density, S is the cross-sectional area of the tunnel, Q is a function indicating a waveform, and if the relative geometric shape of the train entry position with respect to the tunnel shape is unchanged, it is considered that it does not change even if the scale is changed. The function D is a dimension representative of the diameter of the tunnel, for example, the diameter of a circle having the same area as the tunnel cross-sectional area. Further, when the effects of U and S are normalized, the value obtained by integrating r (X) is a constant, and the waveform normalized so that the integrated value becomes “1” in the same manner as the waveform shown in FIG. As the representative diameter D of the graph increases, the peak of the graph is inversely proportional to the peak, and the apex becomes lower and the skirt expands.

図7に示す軸対称モデルの考え方では、次に示す数2式で表現するように、先頭部形状によらない単一のインパルス応答r(X)と、その先頭部形状に対応した断面積変化率s(X)の畳み込み積分によって圧力波形が得られる。
In the concept of the axially symmetric model shown in FIG. 7, as expressed by the following equation (2), a single impulse response r (X) that does not depend on the head shape and the change in cross-sectional area corresponding to the head shape. A pressure waveform is obtained by convolution integration of the rate s (X).

一方、y−z面上に投影した車両形状を任意の個数Nに領域を分割し、分割した各領域を代表するインパルス応答r1(X),r2(X),…rN(X)は、それぞれが異なる波形を示し得る。図7で求めたものと同じ先頭部形状の圧力波形は、図8で示すように、複数のインパルス応答を合算することによって求められる。すなわち、先頭部形状の分割された領域ごとの領域断面積変化率s1(X),s2(X),…sN(X)と、各領域を代表するインパルス応答との畳み込み積分した総和である次式によって求められる。
On the other hand, the vehicle shape projected on the yz plane is divided into an arbitrary number N, and impulse responses r1 (X), r2 (X),... RN (X) representing the divided areas are respectively May show different waveforms. The pressure waveform having the same head shape as that obtained in FIG. 7 is obtained by adding a plurality of impulse responses as shown in FIG. That is, the sum of the area cross-sectional area change rates s1 (X), s2 (X),... SN (X) for each divided area of the top shape and the impulse response representing each area is a convolution integral. It is calculated by the formula.

y−z投影面上での分割を細かくすると、インパルス応答は、枕木方向の座標値ηと、高さ方向の座標値ζについての関数r(X,η,ζ)であり、圧力波形は、次式で示すように畳み込みの面積積分となる。
ただし、積分範囲を示す数値bとZmaxは、y−z投影面上で、車両が存在する範囲を積分範囲が覆うように定める。
When the division on the yz projection plane is made fine, the impulse response is a function r (X, η, ζ) for the coordinate value η in the sleeper direction and the coordinate value ζ in the height direction, and the pressure waveform is As shown in the following equation, the area integration of convolution is obtained.
However, the numerical values b and Zmax indicating the integration range are determined so that the integration range covers the range in which the vehicle exists on the yz projection plane.

そして、先頭部形状のy−z投影面上で座標点(η,ζ)に投影される、先頭部形状表面のレール方向x座標値をu(η,ζ)で表すこととする(進行方向と平行な面や、面上の外向き法線ベクトルがxの正方向を向くオーバーハングはなく、u(η,ζ)は一意に定まるものと仮定する)。このとき、局所断面積変化率は、次式に示すようにデルタ関数δ(X−u(η,ζ))となる。列車が存在しない領域では局所断面積変化率は定数0となるので、積分範囲は限定される。
The rail direction x-coordinate value of the head shape surface projected onto the coordinate point (η, ζ) on the yz projection plane of the head shape is represented by u (η, ζ) (traveling direction). , And the outward normal vector on the surface is in the positive direction of x, and u (η, ζ) is uniquely determined). At this time, the local cross-sectional area change rate becomes a delta function δ (X−u (η, ζ)) as shown in the following equation. Since the local cross-sectional area change rate is a constant 0 in the area where no train exists, the integration range is limited.

そのため、畳み込み部分が解けて、次式に示すように圧力波形は面積積分となって数6式が導き出される。そして、この式によって求められた圧力波形が数1式で求められた圧力波形と一致した。
Therefore, the convolution part can be solved, and the pressure waveform becomes area integration as shown in the following equation, so that Equation 6 is derived. And the pressure waveform calculated | required by this Formula corresponded with the pressure waveform calculated | required by Formula 1.

そこで、本実施形態では、演算処理装置を使用し、高速鉄道車両の先頭部形状について、数1式の演算処理を実行することによって圧力波形が求められる。演算処理装置には、その記憶部に、数1式の演算処理を実行する圧力波形出力プログラムが格納されている。そして、圧力波形出力プログラムを実行するには、前述したように当該トンネルの地上形状について列車速度に応じてインパルス応答が予め求められ、それがデータベース化されて保存される。なお、この演算処理装置には、後述する先頭部形状の最適化自動プログラムも格納されている。   Therefore, in the present embodiment, the pressure waveform is obtained by using the arithmetic processing device and executing the arithmetic processing of Formula 1 for the top shape of the high-speed railway vehicle. In the arithmetic processing unit, a pressure waveform output program for executing the arithmetic processing of Formula 1 is stored in the storage unit. In order to execute the pressure waveform output program, as described above, an impulse response is obtained in advance according to the train speed for the ground shape of the tunnel, and is stored in a database. The arithmetic processing unit also stores a head shape optimization automatic program described later.

圧力波形出力プログラムは、次のようにして実行される。図1に示す先頭部形状に関し、その表面形状を特定するサーフェースメッシュ(三角形または四角形)のデータが与えられる。そして、予めデータベース化したインパルス応答の波形から、補間によって全節点についてのインパルス応答の波形を求める。このとき、求めたインパルス応答の波形は、y−z投影面上の三角形または四角形要素の単位面積あたりの量であることから、これを単位応答波形r(X,y,z)という。   The pressure waveform output program is executed as follows. With respect to the head shape shown in FIG. 1, surface mesh (triangle or quadrangle) data specifying the surface shape is given. Then, the waveform of the impulse response for all nodes is obtained by interpolation from the waveform of the impulse response stored in advance in the database. At this time, since the obtained waveform of the impulse response is an amount per unit area of the triangular or quadrilateral element on the yz projection plane, it is referred to as a unit response waveform r (X, y, z).

先頭部形状の各節点の単位応答波形は、原波形をX軸上で平行移動するように車両形状に対応して変位する。すなわち打ち込み体10の先端が当該投影面上位置の車両表面に移動することに相当するように変位し、r(X−u(y,z),y,z)のように表現される。
単位応答波形は、X軸についての数7式に示す積分値がy−z投影面上の位置に依存しない定数であり、一定の列車速度の場合にトンネル断面積と車両の最大断面積の比を固定すると圧力波の最大波高(圧力勾配を積分して得られる、圧力の総上昇量)が定数となる性質を正しく反映している。
The unit response waveform of each node of the head shape is displaced corresponding to the vehicle shape so that the original waveform is translated on the X axis. That is, the tip of the driving body 10 is displaced so as to correspond to moving to the vehicle surface at the position on the projection plane, and is expressed as r (X−u (y, z), y, z).
The unit response waveform is a constant that does not depend on the position on the yz projection plane, and the ratio of the tunnel cross-sectional area to the maximum cross-sectional area of the vehicle at a constant train speed. When is fixed, it correctly reflects the property that the maximum wave height of the pressure wave (total pressure increase obtained by integrating the pressure gradient) becomes a constant.

圧力勾配波形を求める本近似手法の精度を向上するためには、単位応答に対して以下の補正を行うことが有効である。トンネル内の列車前方の空気は、列車の走行に従って追い出され、トンネル入口から噴き出すが、車両先頭部が進入するに従って車両に占有される分だけ噴き出す流路が狭まる。そこで、トンネルが狭くなったのと同じ効果があり、単位断面積増分がもたらす総圧力上昇量が増加すると考え、単位応答をスカラー倍してφr(X−u(y,z),y,z)とする。これによって数7式に対応する積分値はφ倍となる。関数φは、座標xの位置で車両先頭部を切断した車体外形線で囲まれた面積A(x)(x方向に投影した面積)と、トンネル断面積S(定数)とを用いて数8式で表されるものが有効である。
In order to improve the accuracy of this approximation method for obtaining the pressure gradient waveform, it is effective to perform the following correction on the unit response. The air in front of the train in the tunnel is expelled as the train travels, and is ejected from the tunnel entrance. However, as the vehicle head enters, the flow path to be ejected is narrowed by the amount occupied by the vehicle. Therefore, it has the same effect as the tunnel becomes narrower, and the total pressure increase caused by the increment of the unit cross-sectional area is increased, so that the unit response is multiplied by a scalar and φr (X−u (y, z), y, z ). As a result, the integral value corresponding to Equation 7 is multiplied by φ. The function φ is expressed by using the area A (x) (the area projected in the x direction) surrounded by the vehicle body outline obtained by cutting the vehicle head at the coordinate x, and the tunnel cross-sectional area S (constant). What is represented by the formula is effective.

前記数1式では、車両先頭部の進入によって変化するトンネル内の流路の断面積については考慮していなかった。しかし、実際には、後方にかけて断面積が大きくなる先頭部形状によって、時々刻々とトンネルの断面積に相当する流路面積が徐々に狭くなるように変化するため、前方よりも後方の位置を波源とする単位応答の方が強くなる。そこで、数8式の補正項を施した次式において、数1式に修正を加えて圧力波形を求めるようにすることが望ましい。
In the formula 1, the cross-sectional area of the flow path in the tunnel that changes due to the approach of the vehicle head is not considered. However, in reality, the flow path area corresponding to the cross-sectional area of the tunnel changes gradually from time to time depending on the shape of the top part, which increases in cross-sectional area toward the rear, so the position behind the front is the wave source. The unit response is stronger. Therefore, it is desirable to correct the equation (1) to obtain the pressure waveform in the following equation where the correction term of the equation (8) is applied.

精度を向上するために有効なもう一つの補正は、車両表面からトンネル側面までの距離が狭くなることにより、単位応答が尖鋭化する効果を再現するものである。流路の面積は不変であるので総圧力上昇量は不変であるが、流路の断面形状が理想的な円形で車両の単位断面積増加がその中央で生じる場合は、断面積増加の影響はほぼ一様にその流路全体に及ぶ。しかし、車両に一部をさえぎられるなど狭隘な断面形状を持つ流路内においては、車両とトンネル壁と床面に囲まれた狭い部分で同量の単位断面積増加が生じた場合は局所的に集中した圧力勾配が生じるので、波形は尖鋭化する。具体的には、着目している節点が車両によって閉め切られて流路断面の広い部分から隔てられている度合い(閉塞度合)を数値化して、閉塞度に関連して単位応答の横軸と縦軸を同時にスケールし、ψr(ψ(X−u(y,z),y,z)する。   Another correction that is effective to improve accuracy is to reproduce the effect of sharpening the unit response by reducing the distance from the vehicle surface to the tunnel side. The total pressure rise does not change because the area of the flow path is unchanged, but if the cross-sectional shape of the flow path is an ideal circle and the unit cross-sectional area of the vehicle increases in the center, the effect of the cross-sectional area increase is It extends almost uniformly throughout the channel. However, in a flow path with a narrow cross-sectional shape, such as partly blocked by a vehicle, if the same amount of unit cross-sectional area increases in a narrow part surrounded by the vehicle, the tunnel wall and the floor surface, Since the pressure gradient concentrated on the surface is generated, the waveform is sharpened. Specifically, the degree to which the focused node is closed by the vehicle and separated from the wide part of the channel cross-section (the degree of occlusion) is quantified, and the horizontal axis and vertical axis of the unit response are related to the degree of occlusion. Scale the axes at the same time to ψr (ψ (Xu (y, z), y, z).

この操作では圧力勾配波形はピークが尖るだけで、積分式(数7)に対応する積分式の積分値は不変となる。関数ψは、x座標をu(y,z)とする位置での切断面上で、トンネル全断面から車両の断面を減じた流路のうち、点(y,z)を中心としトンネル全断面と同じ断面積を有する円の半径内にある面積Gと、同じ円内にあるトンネル全断面の面積Fとの比を用いて数10式で表すものが有効である。
In this operation, the pressure gradient waveform has only a sharp peak, and the integral value of the integral equation corresponding to the integral equation (Equation 7) remains unchanged. The function ψ is the entire cross section around the point (y, z) in the flow path obtained by subtracting the cross section of the vehicle from the entire cross section of the tunnel on the cut surface at the position where the x coordinate is u (y, z). Using the ratio of the area G within the radius of a circle having the same cross-sectional area to the area F of the entire cross-section of the tunnel within the same circle, it is effective to express it using Equation (10).

前記数1式あるいはこれを補正した前記数9式では、左右対称形状の先頭車両部の右側面上の任意の点と対応する左側面上の点にある単位断面積増分は、等しい圧力勾配波形を生成する。しかし、実際には複線トンネルの左側通行で走行するので、トンネル壁面に近い左側側面は、空間的拡がりが制限される分、圧力上昇率が高まり、結果として局所的に強い圧力勾配を生じる。すなわち、単位応答波形は尖鋭化する。そこで、数1式に数10式の補正を施した数11式において、あるいは数9式に同補正を施した数12式において圧力波形を求めるようにすることが望ましい。
In the equation 1 or the equation 9 obtained by correcting the equation 1, the unit cross-sectional area increment at a point on the left side corresponding to an arbitrary point on the right side of the top vehicle portion having a symmetrical shape is equal to the pressure gradient waveform. Is generated. However, since the vehicle actually travels on the left side of the double-track tunnel, the left side surface close to the tunnel wall surface is limited in terms of spatial expansion, resulting in an increase in the rate of pressure increase, resulting in a locally strong pressure gradient. That is, the unit response waveform is sharpened. Therefore, it is desirable to obtain the pressure waveform in the formula 11 obtained by correcting the formula 1 to the formula 10 or the formula 12 obtained by performing the same correction on the formula 9.

そこで、単位応答波形を全サーフェースメッシュ面で積分することにより、図22で示すような先頭部形状全体の圧力波形が得られる。積分する際の面積はy−z面への投影面積である。積分は離散化されたメッシュ上で次式が実行される。
Therefore, by integrating the unit response waveform over the entire surface mesh surface, a pressure waveform of the entire head shape as shown in FIG. 22 is obtained. The area at the time of integration is a projected area on the yz plane. Integration is performed on the discretized mesh as follows:

数13式において、積分は全節点での総和として離散化されて近似される。節点iの座標値を(xi,yi,zi)とすると、位置(yi,zi)での単位応答に対し、y−z平面上に投影された当節点の代表する部分の面積σiに引数の符号に応じて-1(負),0(0),1(正)の値をとり得る符号関数sgn()であって、要素の外向き法線ベクトルとx軸の単位基底ベクトルとの内積の符号に応じて符号を定めて乗じ、さらに前記2種の補正項を乗じて総和を求めるものである。iは添え字である。このように符号関数を乗じる操作によって、先頭部形状表面のx座標値を表す関数u(y,z)の一意性についての留保は実際の演算時には解除される。例えば突出した運転席キャノピーを有するようなy−z投影面上に投影した等x値コンターが重なるような形状であっても制約なく適用できる。 In Equation 13, the integral is discretized as a sum total at all nodes and approximated. When the coordinate value of the node i is (xi, yi, zi), the unit response at the position (yi, zi) is the argument σi of the area σi of the representative portion of the node projected on the yz plane. A sign function sgn () that can take values of -1 (negative), 0 (0), 1 (positive) depending on the sign, and is the inner product of the outward normal vector of the element and the unit basis vector of the x axis The sum is obtained by determining and multiplying the code according to the sign of (2) and multiplying the two kinds of correction terms. i is a subscript. Thus, by the operation of multiplying by the sign function, the reservation about the uniqueness of the function u (y, z) representing the x coordinate value of the head shape surface is canceled at the time of actual calculation. For example, even if it is a shape where x value contours projected on a yz projection plane having a protruding driver's seat canopy overlap, it can be applied without restriction.

よって、本実施形態では、インパルス応答をデータベース化して予め保持し、数1に表現した式に基づいて演算処理することにより、任意に作成した高速鉄道車両の先頭部形状について短時間に圧力波形を得ることができるようになった。図9にトンネル突入時に発生する圧力勾配波形を本実施形態によって求めた例を示す。図9には2種類の3次元的な先頭部形状が形状7と形状8として側面図が示されている。この2種類の形状それぞれに対して、三次元の列車についてトンネル突入の非定常現象を直接FEMによるCFDでシミュレーションする従来の手法と、本実施形態によって近似的に数12式によって波形を求める手法により圧力勾配波形を求める手法との両方で圧力勾配波形を算出し、波形701,702,801,802として表示した。   Therefore, in the present embodiment, the impulse response is stored in a database in advance, and a pressure waveform is generated in a short time for the top shape of the arbitrarily created high-speed railcar by performing arithmetic processing based on the expression expressed in Equation 1. Can now get. FIG. 9 shows an example in which the pressure gradient waveform generated at the time of tunnel entry is obtained by this embodiment. FIG. 9 is a side view showing two types of three-dimensional top shapes as shapes 7 and 8. For each of these two types of shapes, the conventional method of directly simulating the unsteady phenomenon of tunnel entry with a CFD using FEM for a three-dimensional train, and the method of obtaining the waveform approximately by Equation 12 according to this embodiment The pressure gradient waveform was calculated by both the method for obtaining the pressure gradient waveform and displayed as waveforms 701, 702, 801, and 802.

本実施形態は、近似法であるにもかかわらず、圧力波形の位置と大きさ、波形の頂部付近にわずかに存在する特徴的なうねり方を含めて高精度で圧力勾配波形を与えるものであることが分かる。誤差は最大値に対して3%であった。
そして、従来手法では、演算処理装置による演算処理に十数時間を要していたが、本実施形態では数分で圧力波形が出力でき、最適化のために行う膨大なパターンの演算処理に要する作業時間を格段に短縮することが可能になった。
Although this embodiment is an approximation method, this embodiment gives a pressure gradient waveform with high accuracy including the position and size of the pressure waveform and the characteristic swells slightly existing near the top of the waveform. I understand that. The error was 3% with respect to the maximum value.
In the conventional method, the calculation processing by the calculation processing device takes ten hours, but in the present embodiment, the pressure waveform can be output in a few minutes, and it is necessary for the calculation processing of a huge pattern for optimization. It has become possible to significantly reduce the work time.

次に、前記数式を用いた説明を理解しやすくするため、簡略した形状について本手法の手続きを述べる。なお、ここでは、単位応答についての補正は行わずに数1式に基づいて行う例を示す。   Next, in order to make it easy to understand the explanation using the mathematical formulas, the procedure of this method will be described for a simplified shape. Here, an example is shown in which the unit response is not corrected but is performed based on Equation (1).

図10は、簡略した列車先頭部形状と、これについてトンネル突入時の圧力勾配波形を本近似手法により求める操作を示した図である。車両先頭部外形200は太い実線で示し、車両一般部は隣接する破線で示しており、一般部については計算を行う必要はない。
車両先頭部外形は精度上必要な個数だけ細分化される。分割数は通常数百から数千であるが、ここでは説明を容易にするため代表点201、202、203、204で代表する4分割とし、それぞれが代表するy−z断面上の投影面積は便宜上等しいものとする。代表点201,202,203,204はレール方向のx座標と同じ値のX座標の位置に表示されている。
FIG. 10 is a diagram showing a simplified train head shape and an operation for obtaining a pressure gradient waveform at the time of tunnel entry by this approximation method. The vehicle head portion outer shape 200 is indicated by a thick solid line, the vehicle general portion is indicated by an adjacent broken line, and it is not necessary to calculate the general portion.
The vehicle head outer shape is subdivided as many as required for accuracy. The number of divisions is usually several hundred to several thousand, but here, in order to facilitate the explanation, four divisions represented by representative points 201, 202, 203, and 204 are assumed, and the projected area on the yz section represented by each is For convenience, it shall be equal. The representative points 201, 202, 203, and 204 are displayed at the X coordinate position having the same value as the x coordinate in the rail direction.

代表点201,202,203,204において単位応答を定める。まず、図10においては全てに対して共通のインパルス応答を与える。それぞれの単位応答に共通の投影面積を乗じたものを波形211,212,213,214として示す。波形211,212,213,214は代表点のx座標値すなわちu(y,z)分だけX軸上で平行移動しており、それぞれの原点を一点鎖線で示している。そして、こうした波形211,212,213,214の総和が、この先頭部形状についての圧力勾配波形220である。共通のインパルス応答を使うことは、軸対称での近似を行うことに相当する。図10の波形220は、軸対称近似によって車両形状を工夫し、すなわち断面積分布A(x)を工夫して、圧力波勾配の最大値を低減した結果を表現している。 A unit response is defined at the representative points 201, 202, 203, and 204. First, in FIG. 10, a common impulse response is given to all. Waveforms 211, 212, 213, and 214 are obtained by multiplying each unit response by a common projected area. Waveforms 211, 212, 213, and 214 are translated on the X axis by the x coordinate value of the representative point, that is, u (y, z), and the respective origins are indicated by alternate long and short dash lines. And the sum total of such waveforms 211, 212, 213, 214 is the pressure gradient waveform 220 for this head shape . Using a common impulse response is equivalent to performing an axisymmetric approximation. A waveform 220 in FIG. 10 represents the result of reducing the maximum value of the pressure wave gradient by devising the vehicle shape by axisymmetric approximation, that is, devising the cross-sectional area distribution A (x).

図11は、代表点201,202,203,204にその断面位置を代表するインパルス応答を与えた計算例である。それぞれの単位応答に共通の投影面積を乗じたものを波形231,232,233,234として示す。そして、波形231,232,233,234の総和が、この先頭部形状での圧力勾配波形240である。図5に示すようにインパルス応答にy−z平面上で空間不均一性があるため、三次元性を考慮した波形240は軸対称近似に基づく図10の波形220とは異なった形となった。こうした波形220と波形240との違いは、軸対称近似に基づく最適化では精度が不足することを表現している。 FIG. 11 is a calculation example in which an impulse response representative of the cross-sectional position is given to the representative points 201, 202, 203, and 204. Waveforms 231, 232, 233, and 234 are obtained by multiplying each unit response by a common projected area. The sum of the waveforms 231, 232, 233, and 234 is the pressure gradient waveform 240 in the shape of the head portion . As shown in FIG. 5, since the impulse response has spatial non-uniformity on the yz plane, the waveform 240 considering the three-dimensionality has a different shape from the waveform 220 of FIG. . Such a difference between the waveform 220 and the waveform 240 expresses that the optimization based on the axisymmetric approximation is insufficient in accuracy.

ところで、先頭部形状の決定に当たっては、三次元形状に分かりやすい指標がないため、微妙な変化を加えた三次元形状を膨大な数作成し、それぞれについて圧力波形を求めて検討を行う必要があった。しかし、その際、微気圧波低減だけが先頭部形状決定の要素ではない。車両先頭部は鉄道車両の顔であり、その形状は意匠的にも非常に重要な意味を持つからである。従って、車両先頭部は、デザイン的にも優れたものであることが好ましいため、その形状決定には、デザイナーによる先頭部形状をベースに、微気圧波を低減させる機能をその形状に付加することが望まれる。   By the way, since there is no easy-to-understand index for the three-dimensional shape in determining the head shape, it is necessary to create a large number of three-dimensional shapes with subtle changes and obtain a pressure waveform for each. It was. However, in that case, only the micro-pressure wave reduction is not an element for determining the head portion shape. This is because the front of the vehicle is the face of a railway vehicle, and its shape has a very important meaning in terms of design. Therefore, it is preferable that the vehicle head is excellent in design, so that the shape is determined based on the shape of the head by the designer, and a function to reduce micro-pressure waves is added to the shape. Is desired.

任意の先頭部形状については、前述したようにインパルス応答のデータベースを利用して圧力波形を求めることができる。ここで、図12は、各先頭部形状に圧力波形を示した図であり、図1に示した先頭部形状による圧力波形はパターン11に相当する。この圧力波は、3箇所にピークP1,P2,P3が形成され、特にピークP1,P2の間の谷部Tが大きく窪んでしまっている。従って、この圧力勾配の最大値を下げるには、ピークP1,P2の値を下げ、谷部Tを上げて頂部を平均化した、パターン14に示すような圧力波形とすることが望まれる。なお、図12中縦軸で用いられているprefは、正規化のための基準圧力値で2053.5Pa、Uは列車速度で83.333m/sである。   As described above, the pressure waveform can be obtained for an arbitrary head shape using the impulse response database as described above. Here, FIG. 12 is a diagram showing a pressure waveform in each head part shape, and the pressure waveform in the head part shape shown in FIG. In this pressure wave, peaks P1, P2, and P3 are formed at three locations, and in particular, a valley portion T between the peaks P1 and P2 is greatly depressed. Therefore, in order to reduce the maximum value of the pressure gradient, it is desirable to reduce the values of the peaks P1 and P2, raise the valley T and average the top, and obtain a pressure waveform as shown in the pattern 14. Note that pref used on the vertical axis in FIG. 12 is a reference pressure value for normalization, 2053.5 Pa, and U is a train speed, 83.333 m / s.

従来は、こうして図1に示す基本となる先頭部形状を設計し、それについて圧力波形が求められると、前述したように、その圧力波をより理想的な形にするための作業が行われた。しかし、形状的な特徴とその特徴が波形に及ぼしている影響の関係が定量化しづらいため、希望する圧力波形の先頭部形状にするには試行錯誤を繰り返さなければならず、形状決定に膨大な時間を要していた。これは、圧力波形が流れの偏微分方程式の解であり、先頭部形状はその境界条件をなすもので、方程式上は圧力波形と先頭部形状とは陰的に関係づけられているにすぎないことに起因する。すなわち、ベースとなった先頭部形状全体に対し、如何に形状を変形すれば理想とする圧力波の波形が得られるか、いくつものモデルを作成して検証する必要があった。 Conventionally, when the shape of the basic head portion shown in FIG. 1 is designed and a pressure waveform is obtained for it, as described above, work for making the pressure wave more ideal has been performed. . However, since it is difficult to quantify the relationship between the shape feature and the effect that feature has on the waveform, trial and error must be repeated to obtain the leading shape of the desired pressure waveform. It took time. This is the solution of the partial differential equation where the pressure waveform is the flow, and the head shape forms the boundary condition, and the pressure waveform and the head shape are only implicitly related in the equation. Due to that. In other words , it was necessary to create and verify how many models the ideal pressure wave waveform can be obtained by deforming the shape of the entire head portion as a base.

本実施形態では、こうした問題を解決するため、インパルス応答のデータベースを利用した、先頭部形状の最適化自動プログラムを提案する。
先頭部形状が生成する圧力波形を、予めトンネルについて構築したインパルス応答データベースに基づいて、先頭部形状の表面各点の位置において単位応答を求め、その際、表面各点のx座標に相当する量だけX軸方向に平行移動させた単位応答波形を投影面積で重みをつけて合算する方法で近似することが本手法の操作の本質である。形状を反映しているのはX軸方向の移動量である。従って、y−z断面上の点(y,z)における表面点のx座標を変化させることと、当該単位応答の原点位置をX軸上で前に寄せたり、後ろに寄せたりすることは、直接的に対応する。このことを利用して、波形を算出している単位応答の原点位置をX軸上で平行移動させて圧力波形がどのように変化するかを確認する。そして、微気圧波を低減させた単位応答の移動結果から新たな先頭部形状を求める、先頭部形状の最適化を行う。
In this embodiment, in order to solve such problems, an automatic program for optimizing the head shape using a database of impulse responses is proposed.
Based on the impulse response database constructed for the tunnel in advance, the pressure waveform generated by the head shape is obtained at the position of each surface point of the head shape, and the amount corresponding to the x coordinate of each surface point It is the essence of the operation of this method that the unit response waveform translated only in the X-axis direction is approximated by a method in which the unit response waveforms are weighted with the projected area and added together. The amount of movement in the X-axis direction reflects the shape. Therefore, changing the x coordinate of the surface point at the point (y, z) on the yz cross section and moving the origin position of the unit response forward or backward on the X axis are as follows: Respond directly. Using this fact, the origin position of the unit response for which the waveform is calculated is translated on the X axis to check how the pressure waveform changes. Then, the head shape is optimized by obtaining a new head shape from the movement result of the unit response in which the micro-pressure wave is reduced.

単位応答の原点位置をX軸上で移動させるとは、先頭部形状の表面に数多く位置する単位応答波形の元となっている仮想的な打ち込み体10の先端位置を移動させるイメージである。仮想的な打ち込み体10の先端は、空間上に存在する点であり、その点の集合が先頭部形状を構成するように、補間によって求めた単位応答に対応するものも加えて精度上必要な数だけ複数存在する。そして、空間上に配置された各仮想的な打ち込み体10の先端位置がx方向に変位する効果として、先頭部形状に変化が与えられ、それと結び付けられて波形を表すX軸に沿って移動する圧力波形にも修正が加えられる。   Moving the origin position of the unit response on the X-axis is an image of moving the tip position of the virtual driving body 10 that is the source of the unit response waveform that is located on the surface of the top portion shape. The tip of the virtual driving body 10 is a point that exists in space, and in addition to the point corresponding to the unit response obtained by interpolation so that the set of points forms the head shape, it is necessary for accuracy. There are multiple numbers. Then, as an effect that the tip position of each virtual driving body 10 arranged in the space is displaced in the x direction, a change is given to the shape of the head portion, and the movement is performed along the X axis representing the waveform in association with the change. Corrections are also made to the pressure waveform.

従って、理想とする圧力波形が得られるように、各単位応答の原点位置をX軸に沿って移動させて圧力波形を算出することを複数回繰り返し、その複数回の圧力波形の中から圧力勾配最大値が小さいものを優れた圧力波形を持つものとして選択する。そして、その選択されたインパルス応答の波形の移動量に相当する量だけ形状を変位させ、新たな先頭部形状を求める。理想とする圧力波形が得られるように、各単位応答の原点位置をX軸に沿って移動させて圧力波形を算出することを複数回繰り返す方法としては、例えば遺伝的アルゴリズム(GA:Genetic Algorithm)や、Simulated Annealing(SA)法を用いても良い。   Accordingly, in order to obtain an ideal pressure waveform, the origin position of each unit response is moved along the X axis to calculate the pressure waveform a plurality of times, and the pressure gradient is determined from the plurality of pressure waveforms. Select the one with the smallest maximum value as having an excellent pressure waveform. Then, the shape is displaced by an amount corresponding to the movement amount of the selected impulse response waveform, and a new head portion shape is obtained. For example, a genetic algorithm (GA) may be used as a method of repeatedly calculating the pressure waveform by moving the origin position of each unit response along the X axis so that an ideal pressure waveform can be obtained. Alternatively, a simulated annealing (SA) method may be used.

本実施形態の最適化自動プログラムでは、先頭部形状の表面に複数あるこのような単位応答のうち、移動対象となった点(ターゲット点)の移動方向と移動距離を求めて最適化を行う。その際、単位応答を微分することにより、そのターゲット点における単位応答の原点をx方向に移動する単位距離あたりの波形変化が表現される。そのため、当該ターゲット点の単位応答について、最適な移動方向と移動量とを、微分値(dr/dX)に基づいて求める。具体的には、次のような演算式によって求められる。なお、ここでは、近似式数1式に基づいて説明するが、数9式、数11式、数12式に対しても同様の変分操作に基づいて演算することができる。   In the optimization automatic program according to the present embodiment, the optimization is performed by obtaining the moving direction and moving distance of the point (target point) that is the moving target among a plurality of such unit responses on the surface of the head shape. At this time, by differentiating the unit response, a change in waveform per unit distance that moves the origin of the unit response at the target point in the x direction is expressed. Therefore, the optimal moving direction and moving amount are determined based on the differential value (dr / dX) for the unit response of the target point. Specifically, it is obtained by the following arithmetic expression. In addition, although it demonstrates based on approximate formula number 1 here, it can calculate based on the same variation operation also about Formula 9, Formula 11, and Formula 12.

先頭部形状を、微小にδu(y,z)変化させることによる圧力勾配波形の変分δq(X)は、次式で示すような単位応答の導関数の積分として得られる。
The variation δq (X) of the pressure gradient waveform by minutely changing the head portion shape by δu (y, z) is obtained as the integral of the derivative of the unit response as shown by the following equation.

なお、単位応答の導関数について数式を用いた説明を理解しやすくするため、図11に示した前出の簡略した形状について手続きを述べる。そして、ここでは単位応答についての補正は行わずに数1式に基づいて行う例を示す。   In order to facilitate the understanding of the derivative of the unit response using mathematical formulas, the procedure for the simplified shape shown in FIG. 11 will be described. Here, an example is shown in which the unit response is not corrected but is performed based on Equation (1).

図13は、図11に示す車両先頭部外形200が生成する圧力勾配波形240を修正する方針を検討するものである。圧力勾配波形240においては、点241が最大値である。この位置の波形の生成に最も寄与しているのは、明らかに代表点201が生成する単位応答に由来する波形231である。しかし、代表点201を移動させることは得策ではない。なぜなら点241は波形231のピーク点236とほぼ同じ位置にあるため、代表点201の移動によるこの位置での波形の変化は0に近い。付け加えて、代表点201は形状の先端に存在するので、この点を負方向に移動させると先頭部の長さが長くなってしまい、ここで想定している寸法の制約を逸脱するからである。 FIG. 13 examines a policy of correcting the pressure gradient waveform 240 generated by the vehicle head portion outer shape 200 shown in FIG. In the pressure gradient waveform 240, the point 241 is the maximum value. It is clearly the waveform 231 derived from the unit response generated by the representative point 201 that contributes most to the generation of the waveform at this position. However, moving the representative point 201 is not a good idea. Because the point 241 is substantially at the same position as the peak point 236 of the waveform 231, the change in the waveform at this position due to the movement of the representative point 201 is close to zero. In addition, since the representative point 201 exists at the tip of the shape, if the point is moved in the negative direction, the length of the leading portion becomes long, which deviates from the dimensional constraints assumed here. .

そこで代表点202に着目する。代表点202のみ位置をX軸の正方向に単位量だけ点242の位置まで移動させた場合の単位応答に由来する波形は波形252である。このときの波形の変動量は波形252と波形232の差に着目すると、ハッチング255の部分では波形は下がり、ハッチング256の部分では波形は上がる。そして、こうした差をプロットしたものが波形259である。なお、波形259は、線の重なりを避けるために上下方向に原点をずらして表示してあり、負の領域がハッチング257に、正の領域がハッチング258に示されている。   Therefore, attention is paid to the representative point 202. A waveform derived from the unit response when only the representative point 202 is moved to the position of the point 242 by the unit amount in the positive direction of the X axis is a waveform 252. If attention is paid to the difference between the waveform 252 and the waveform 232, the waveform fluctuation amount at this time is lowered in the hatched portion 255 and the waveform is raised in the hatched 256 portion. A waveform 259 is obtained by plotting these differences. The waveform 259 is displayed by shifting the origin in the vertical direction in order to avoid overlapping of lines, and a negative region is indicated by hatching 257 and a positive region is indicated by hatching 258.

波形259は、代表点202を微小にX軸の正方向に単独で移動した場合に、全圧力勾配波形の変形量を単位移動量当たりの量で示したものである。すなわち、数15式についてみれば、δuは代表点201を単位量変形させる変位を表し、その際の変分δq(X)は波形259である。明らかに波形259は波形232のX導関数の符号を反転したものである。そこで、点241の値を下げるには、点241のX座標位置において波形259は負であるから、代表点202は正方向に移動すれば良い。そして、波形233,234について観察すると、同じ量だけ変形させるのであれば、代表点202の移動が最も得策であることが分かる。   A waveform 259 shows the amount of deformation of the total pressure gradient waveform as an amount per unit movement amount when the representative point 202 is moved minutely in the positive direction of the X axis. In other words, regarding Equation 15, δu represents a displacement that deforms the representative point 201 by a unit amount, and the variation δq (X) at that time is a waveform 259. Obviously, waveform 259 is the inverse of the sign of the X derivative of waveform 232. Therefore, in order to decrease the value of the point 241, the waveform 259 is negative at the X coordinate position of the point 241, and therefore the representative point 202 may be moved in the positive direction. When the waveforms 233 and 234 are observed, it can be seen that the movement of the representative point 202 is the best solution if it is deformed by the same amount.

次に、図14は、図13に示す考察を経て、代表点202をターゲット点として移動させた後の先頭部形状と圧力勾配波形を示すものである。元々の代表点202は、X軸の正方向にベクトル261に示す量だけ移動し、新たな代表点の位置が点262となる。これにより、新たな先頭部形状は先頭部外形260となる。すると、代表点262の単位応答に由来する波形は波形272であるため、車両全体がもたらす圧力勾配波形は、波形231,272,233,234の総和である波形280となる。従って、新たな波形280にはピーク点281と点282が存在することになった。よって、波形280では、元々のピークである図13に示す波形240の点241と比べて、圧力勾配波形の最大値を下げることができた。 Next, FIG. 14 shows a head shape and a pressure gradient waveform after the representative point 202 is moved as a target point through the consideration shown in FIG. The original representative point 202 moves in the positive direction of the X axis by the amount indicated by the vector 261, and the position of the new representative point becomes the point 262. As a result, the new head portion shape becomes the head portion outer shape 260. Then, since the waveform derived from the unit response of the representative point 262 is the waveform 272, the pressure gradient waveform generated by the entire vehicle is a waveform 280 that is the sum of the waveforms 231, 272, 233, and 234. Therefore, the new waveform 280 has a peak point 281 and a point 282. Therefore, in the waveform 280, the maximum value of the pressure gradient waveform could be lowered as compared with the point 241 of the waveform 240 shown in FIG.

このように、ターゲット点の単位応答を圧力波形を改善するようにX軸方向に移動する方向と量を決めると、その移動量と等しい量だけ対応する先頭部形状の表面座標を変化させることが望ましい変形量となっている。移動する方向は波形を改善したい位置におけるターゲット点のインパルス応答をX座標で微分した値の符号で定める。ここではベクトル261の向きがそれである。なお、数14式、数15式は変形量が微小であることを前提とする線形化式なので、ベクトル261の大きさは一度の移動操作で得るのではなく、線形化の仮定を逸脱しない程度の小変形を繰り返して、その中から圧力波形が優れているものを選択する。 Thus, if the direction and amount of movement of the target response of the target point in the X-axis direction are determined so as to improve the pressure waveform, the surface coordinates of the corresponding head shape can be changed by an amount equal to the amount of movement. The amount of deformation is desirable. The direction of movement is determined by the sign of the value obtained by differentiating the impulse response of the target point at the position where the waveform is to be improved with respect to the X coordinate. Here, the direction of the vector 261 is that. Since Equations (14) and (15) are linearization equations on the assumption that the amount of deformation is very small, the size of the vector 261 is not obtained by a single movement operation, but does not deviate from the assumption of linearization. Repeat the small deformation of and select one that has an excellent pressure waveform.

ところで、点281と点282のピーク値はほぼ同じになっており、これ以上代表点262を右方向に移動させると今度は点282側のピークが高くなるため、1個の代表点だけを操作する場合の波形改善はこれが限界である。従って、圧力勾配波形上の1点だけに着目して波形を改善しても、波形上の他の点での圧力勾配値が大きくなってしまう。そこで、図14に示すベクトル261の大きさは、もともと着目していたピーク点281の値を改善するように微小な変形を繰り返し、その際に悪化してきたピーク点282の値とのバランスをとって定めた。単位応答を移動することは必ず波形のある部分を緩和し、別の部分を悪化させることになる。従って、図12あるいは図22に示した中の最適に近づいたような波形においては、波形上の広い区間に着目して波形改善を試みることが必要であり、その際の設計自由度としては、一つだけの単位応答をターゲット点とするのではなく、全ての単位応答波形をバランス良く移動させる方法が必要である。その方法を以下に述べる。 By the way, the peak values of the point 281 and the point 282 are almost the same, and if the representative point 262 is moved further to the right, the peak on the point 282 side becomes higher this time, so only one representative point is operated. This is the limit for waveform improvement. Therefore, even if the waveform is improved by focusing on only one point on the pressure gradient waveform, the pressure gradient value at other points on the waveform becomes large. Therefore, the magnitude of the vector 261 shown in FIG. 14 is balanced with the value of the peak point 282 that has been deteriorated at that time by repeating minute deformation so as to improve the value of the peak point 281 of interest. Determined. Moving the unit response will alleviate one part of the waveform and worsen the other part. Therefore, it is necessary to try to improve the waveform by focusing on a wide section on the waveform in the waveform close to the optimum shown in FIG. 12 or FIG. There is a need for a method of moving all unit response waveforms in a balanced manner, rather than using only one unit response as a target point. The method is described below.

「好ましい波形」として任意の圧力波形θ(X)を考える。圧力勾配の最大値を小さくするためには、圧力波形の頂部が水平に近い略台形状で、立上がりと立下りが急峻なものであるのが好ましい。そこで、例えば図12に示すパターン11の圧力波形について、そのピークP1,P2の値を下げる一方、谷部Tを上げてパターン14に示すような圧力波形が得られるようにする。この例ではθ(X)はパターン14である。そのために、図1に示す先頭部形状をベースにして変形を加え、パターン14に示すような圧力波形を出力する先頭部形状の作成を目指す。   Consider an arbitrary pressure waveform θ (X) as a “preferred waveform”. In order to reduce the maximum value of the pressure gradient, it is preferable that the top of the pressure waveform has a substantially trapezoidal shape close to the horizontal, and the rise and fall are steep. Therefore, for example, with respect to the pressure waveform of the pattern 11 shown in FIG. 12, while reducing the values of the peaks P1 and P2, the valley T is raised so that the pressure waveform as shown in the pattern 14 is obtained. In this example, θ (X) is the pattern 14. For this purpose, the head shape shown in FIG. 1 is used as a base, and a head shape that outputs a pressure waveform as shown in the pattern 14 is created.

「好ましい波形」を定める際には、単に頂部を水平としても良いが、たとえば、図9に示される波形701に対して波形702がずれる誤差に相当する分だけ、頂部が水平である波形をずらしたものを用いても良い。波形701に変えて、実際のトンネルで測定した波形を用いても良い。これにより本手法による誤差を補償することができる。また、最適化の過程において生じやすい波形のうねり方を逆に補正するように工夫を加えることもできる。また、突入時に生じた圧力波形がトンネル内を伝播する間に非線形効果によって変形するが、その非線形効果による変形がトンネル微気圧波を悪化させるものであるならば、その効果を相殺するようにトンネル突入時の波形を設計して設定しても良い。   In determining the “preferred waveform”, the top may be simply horizontal. For example, the waveform with the top being horizontal is shifted by an amount corresponding to an error that the waveform 702 deviates from the waveform 701 shown in FIG. May be used. Instead of the waveform 701, a waveform measured in an actual tunnel may be used. Thereby, the error by this method can be compensated. In addition, it is possible to add a device so as to reversely correct the waveform undulation that tends to occur in the optimization process. In addition, the pressure waveform generated at the time of entry is deformed by a non-linear effect while propagating in the tunnel. If the deformation due to the non-linear effect worsens the tunnel micro-pressure wave, the tunnel is offset to cancel the effect. The waveform at the time of entry may be designed and set.

具体的には、好ましい圧力波形との差を2乗して、任意の評価区間で重みwを掛けて積分したものを残差Eとし、最適な形状を求めるべく残差Eが極小となるようにする。
なお、[Ξmin,Ξmax]は、X軸上の波形の評価区間で、波形の頂部を含むように任意に設定する。図12の例では−0.8mから8.4mまでの区間を評価区間とした。
More specifically, the difference E from the preferred pressure waveform is squared, multiplied by the weight w in an arbitrary evaluation interval and integrated to obtain a residual E, and the residual E is minimized to obtain an optimum shape. To.
[Ξmin, Ξmax] is arbitrarily set so as to include the top of the waveform in the evaluation section of the waveform on the X axis. In the example of FIG. 12, the section from −0.8 m to 8.4 m is set as the evaluation section.

現在の形状u(y,z)に微小な修正v(y,z)を加えて、u(y,z)+v(y,z)を新たな形状とする。残差Eを最小とするv(y,z)が解である。
A minute correction v (y, z) is added to the current shape u (y, z) to make u (y, z) + v (y, z) a new shape. V (y, z) that minimizes the residual E is the solution.

残差Eの変分は
これが、任意のδv(y,z) についてゼロとなるための条件から、変位量v(y,z)が満たすべき方程式は、

Variation of residual E is
From the condition that this becomes zero for an arbitrary δv (y, z), the equation that the displacement v (y, z) should satisfy is

最適化の過程を離散化する。残差Eの評価を圧力波形上のN個の評価点で重みwiを付けて行うこととする。iは添え字である。
ただしXiは離散化の評価点で、qi=q(Xi)、θi=θ(Xi)でiは添え字である。
変形分布は、M個の任意の形状関数hj(y,z)の線形結合で表すものとする。jは添え字である。
Discretize the optimization process. The residual E is evaluated with weights wi at N evaluation points on the pressure waveform. i is a subscript.
However, Xi is an evaluation point of discretization, and qi = q (Xi), θi = θ (Xi), and i is a subscript.
The deformation distribution is represented by a linear combination of M arbitrary shape functions hj (y, z). j is a subscript.

そして、dE/dcj =0より径数cjについての連立方程式が得られる。
或いは線形連立方程式であることを分かりやすくした次式のようになる。
ただし、iとjを添え字として、
aij=∫∫wi{dr(Xi−u(y,z))/dX}hj(y,z)dydz
(y,z)∈σでの積分
fi={qi−θi}wi
ここで、aijはマトリックス、cjは最適変位量の係数、そしてfiは残差を表現している。
Then, simultaneous equations for the diameter number cj are obtained from dE / dcj = 0.
Or it becomes like the following formula which made it easy to understand that it is a linear simultaneous equation.
However, i and j are subscripts,
aij = ∫∫wi {dr (Xi-u (y, z)) / dX} hj (y, z) dydz
Integral fi at {y, z) εσ = { qi−θi } wi
Here, aij represents a matrix, cj represents an optimum displacement coefficient, and fi represents a residual.

よって、基本的には、この方程式を解いて先頭部形状が出力される。方程式数23式は、調査の結果、きわめて特異に近いことが分かった。本質的に逆問題であり、単位応答の逆変換を含む性質によると推定される。同じ理由により、数15式が示す勾配を用いて最急降下法や共益勾配法を実施しても収束は悪い。このため、特異値分解により最小2乗解を得て、実用上の解とする。特異値分解によって対角成分に現れる特異値のうち、絶対値の小さなものを切り落として計算する。そうしなければ、極端に凸凹の多い形状となってしまうからである。そして、ここで得られた解cj が、望ましい圧力波形との誤差の2乗を最小にするという意味で、先頭部を最適形状にするため如何にして形状を変形させるかを示している。   Therefore, basically, this equation is solved to output the head portion shape. As a result of the investigation, it was found that the number of equations 23 is extremely singular. It is an inverse problem in nature and is presumed to be due to the nature of including the inverse transformation of the unit response. For the same reason, even if the steepest descent method or the common benefit gradient method is performed using the gradient shown in Equation 15, convergence is poor. For this reason, a least squares solution is obtained by singular value decomposition, which is a practical solution. Of the singular values that appear in the diagonal component due to singular value decomposition, the one with the smallest absolute value is cut off for calculation. Otherwise, the shape will be extremely uneven. Then, the solution cj obtained here shows how the shape is deformed in order to minimize the square of the error from the desired pressure waveform in order to make the head portion the optimum shape.

数21式で用いる形状関数は、単位応答を最適に移動させるさせ方の候補である。その選択は任意であるが、とりわけ、dr(Xi−u(y,z),y,z)/dXの成分を含み、寸法拘束条件を満たすようにすると効率が良い。なぜなら、dr(Xi−u(y,z),y,z)/dXおよびこれに比例する成分は、波形上のXiの点の値を正方向に変化させるy−z投影面上の各点のx方向の移動量の分布をその感受性の大きさとともに示すものだから、そのような移動パターンは波形を改善する有力な候補である。 The shape function used in Equation 21 is a candidate for how to optimally move the unit response. The selection is arbitrary, but in particular, it is efficient to include the component dr (Xi-u (y, z), y, z) / dX and satisfy the dimensional constraint condition. This is because dr (Xi-u (y, z), y, z) / dX and components proportional thereto are each point on the yz projection plane that changes the value of the point of Xi on the waveform in the positive direction. the amount of movement of the distribution in the x direction because indicates both the magnitude of the sensitivity of such a movement pattern is a good candidate to improve the waveform.

また、予め満たさなければならない寸法境界条件があり、不動でなければならない点や、dr(Xi−u(y,z),y,z)の分布上自ずと寸法上の不等式拘束条件を破ろうとする性質を持つことが明らかな点に対応する成分は、予め0かもしくは微小な値にしておけば、最小2乗解においては、寸法拘束条件を満たした解が得られる。圧力勾配の最大値を緩和する効果的な方法の一つは車両の先頭部の長さを長くすることであるから、寸法条件を破り得る候補が存在すると、最小2乗解は自然に先頭部の長さを長くする解ばかりを示す。そのような解を得た後で、強制的に寸法拘束条件を満たすように変形量を調整すると、圧力波形を悪化させる。つまり、寸法拘束条件は、連立方程式を解く前に、形状関数を選択する時点で考慮しておくことが望ましい。   In addition, there are dimensional boundary conditions that must be satisfied in advance, the point that must be fixed, and the distribution of dr (Xi-u (y, z), y, z) naturally tries to break the inequality constraint condition on dimensions. If the component corresponding to the point that has obvious properties is previously set to 0 or a minute value, a solution satisfying the dimensional constraint condition can be obtained in the least square solution. One effective way to mitigate the maximum pressure gradient is to increase the length of the vehicle head, so if there are candidates that can break the dimensional requirements, the least squares solution will naturally Only the solutions to increase the length of are shown. After obtaining such a solution, if the deformation amount is forcibly adjusted to satisfy the dimensional constraint condition, the pressure waveform is deteriorated. In other words, it is desirable to consider the dimensional constraint conditions when selecting the shape function before solving the simultaneous equations.

なお、ここに述べる最適解は、線形化を施した結果なので、微小に変化させるにあたっては、線形化の近似を逸脱しないよう最大の移動量を限定することが望ましい。例えば得られた変位ベクトルに対して最大の移動量を最大で100mm程度とするように移動量をスカラー倍して、その範囲内の移動を繰り返しながら形状修正する。   Since the optimal solution described here is the result of linearization, it is desirable to limit the maximum amount of movement so as not to deviate from the approximation of linearization when making a minute change. For example, the movement amount is scalar multiplied so that the maximum movement amount is about 100 mm at maximum with respect to the obtained displacement vector, and the shape is corrected while repeating the movement within the range.

形状関数の選び方を示す一例としてM=Nとして、形状関数として、ターゲット点における変分を選択する例を示す。
As an example showing how to select a shape function, an example is shown in which M = N and variation at the target point is selected as the shape function.

ここで、図15は、先頭部形状について図1のベース形状と、それを最適化した最適形状とを重ねて示した図であり、ベース形状の表面をメッシュで表現し、最適形状を体積のある実線によって表現している。メッシュがなくなっている箇所は、最適化によって表面がベース形状よりも盛り上がったことを示し、逆に隙間ができた箇所は表面が凹んだことを示している。具体的には、台車カウル部21の膨らみは前方に延び結果としてカウル部分での局所的な断面積変化率は小さくなり、一方で台車カウルの上方27では幅が縮小し、肩部22は膨らんで表面盛り上がり、また、ノーズの先端部23を平らにするように鈍頭になり、上下に分かれた先端部23と先端部26の間の溝24後方に深くなり、運転室部25の屋根が低くなったことが示された。 Here, FIG. 15 is a diagram in which the base shape of FIG. 1 is overlapped with the optimal shape obtained by optimizing the top shape, and the surface of the base shape is represented by a mesh, and the optimal shape is expressed as a volume. It is expressed by a solid line. The portion where the mesh disappears indicates that the surface has risen more than the base shape by optimization, and conversely, the portion where the gap is formed indicates that the surface is recessed. Specifically, the bulge of the cart cowl portion 21 extends forward, and as a result, the local cross-sectional area change rate at the cowl portion is reduced, while the width is reduced at the upper portion 27 of the cart cowl, and the shoulder portion 22 is swollen by swelling the surface, also become blunt so as to flatten the tip portion 23 of the nose groove 24 between the tip 23 and the distal end portion 26 which is divided vertically is deeper rearward cab portion 25 The roof was shown to be lower.

こうして最適化された先頭部形状について得られた圧力波形が、図12に示すパターン12である。この圧力波形は、パターン11のピークP1,P2や谷部Tが消えて、頂部が水平に近い略台形状で、立上がりと立下りが急峻なものとなって理想のパターン14に近づいた。図16は、その図1の先頭部形状を最適化したパターン12の先頭部形状を示した斜視図であり、図17は、図16に示す先頭部形状について三次元形状を正面から見た等高線で示した図である。また、別のベース形状を基に、同様に最適化した先頭部形状を示した斜視図を図18にも示した。図19は、図18に示す先頭部形状について三次元形状を正面から見た等高線で示した図であり、図12に示すパターン13が、この図18及び図19の先頭部形状によって得られる圧力波形である。   The pressure waveform obtained for the head shape optimized in this way is a pattern 12 shown in FIG. In this pressure waveform, the peaks P1 and P2 and the troughs T of the pattern 11 disappeared, the top portion was substantially trapezoidal, and the rise and fall were steep and approached the ideal pattern 14. 16 is a perspective view showing the shape of the head portion of the pattern 12 in which the shape of the head portion of FIG. 1 is optimized. FIG. 17 is a contour line of the three-dimensional shape of the head shape shown in FIG. It is the figure shown by. Further, FIG. 18 is a perspective view showing a head shape optimized similarly based on another base shape. FIG. 19 is a diagram showing the three-dimensional shape of the head shape shown in FIG. 18 as a contour line when viewed from the front, and the pattern 13 shown in FIG. 12 is obtained by the pressure obtained by the head shape of FIGS. It is a waveform.

よって、先頭部形状の最適化自動プログラムによれば、例えばデザイナーによって作成された意匠重視の先頭部形状をベースにし、そこから微気圧波を低減させるために最適化した先頭部形状を容易に作成することができるようになった。しかも、最適化のための処理が数十分ほどの短時間で行うことができ、極めて早い対応で先頭部形状の提供が可能になった。   Therefore, the head shape optimization automatic program makes it easy to create a head shape optimized to reduce micro pressure waves based on the design-oriented head shape created by the designer, for example. I was able to do that. In addition, the optimization process can be performed in a few tens of minutes, and the head shape can be provided with a very fast response.

なお、この先頭部形状の最適化自動プログラムは、これによって得られる図16や図18に示す最適形状が、車両先頭部の形状として満たすべき微気圧波以外の拘束条件を必ずしも満たすようにしたものではない。すなわち、本実施形態の最適化自動プログラムは、微気圧波低減に関する条件に関し、その条件にあった最適解を導くソルバーとしての効果を発揮するものである。   Note that this automatic optimization program for the head shape is such that the optimum shape shown in FIG. 16 and FIG. 18 thus obtained necessarily satisfies the constraint conditions other than the micro-pressure wave to be satisfied as the shape of the vehicle head part. is not. That is, the optimization automatic program according to the present embodiment exerts an effect as a solver for deriving an optimal solution suitable for the condition related to the micro-pressure wave reduction.

ところで、先頭部形状の断面に対応して求めたインパルス応答は、例えば図5に示すサンプル点3に現れるピーク値が高くなって尖るものや、サンプル点13,18,23のようにピーク値が低くx方向に幅広く現れるものなど、各断面位置によって異なっている。そして、インパルス応答が尖っているということは、その断面位置における先頭部形状の断面積変化が、圧力波形に与える影響が局所的に集中することを意味している。従って、こうしたインパルス応答の影響の違いを考慮し、先頭部形状の決定に当たって微気圧波を低減させるための条件を設定する。なお、先頭部形状は左右対称であることを前提としている。   By the way, the impulse response obtained corresponding to the cross section of the head shape has a sharp peak value appearing at the sample point 3 shown in FIG. 5 or a peak value such as the sample points 13, 18, and 23. It differs depending on each cross-sectional position, such as a low and wide appearing in the x direction. The sharp impulse response means that the influence of the change in the cross-sectional area of the head shape at the cross-sectional position on the pressure waveform is concentrated locally. Therefore, in consideration of such a difference in the influence of the impulse response, a condition for reducing the micro-pressure wave is set in determining the head shape. Note that it is assumed that the shape of the top portion is symmetrical.

例えば、図5に示すようなインパルス応答について、X=0を境に前後で積分して比を求める。これにより、y−z平面の複数位置で求める単位応答が、各位置によって車両前方(Xの負の領域)に与える影響が大きいのか、後方(Xの正の領域)に与える影響が大きいのかが分かる。従って、車両前方に与える影響が大きいインパルス応答は、なるべく車両先端側で作用させ、逆に車両後方に与える影響が大きいインパルス応答は、なるべく一般部に近い先頭部形状の後方側で作用させるように分散させることが、図12に示すパターン14の圧力波形を得るために好ましい。   For example, for the impulse response as shown in FIG. 5, the ratio is obtained by integrating before and after X = 0. As a result, whether the unit response obtained at a plurality of positions on the yz plane has a large influence on the vehicle front (X negative area) or on the rear (X positive area) depending on each position. I understand. Therefore, an impulse response that has a large influence on the front of the vehicle acts on the front side of the vehicle as much as possible, while an impulse response that has a large influence on the rear of the vehicle acts on the rear side of the head portion shape that is as close to the general part as possible. It is preferable to disperse in order to obtain the pressure waveform of the pattern 14 shown in FIG.

y−z平面上のインパルス応答分布r(X,y,z)について、Xの原点(X=0)以降に圧力波形が上昇する量を考え、次式の積分を「後方充足度(Latter Fulfilling Factor)」として定義する。図20は後方充足度の数値例を示すものである。図20は車両先頭部形状が左右対称形状を前提としてy−z投影面上に後方充足度分布を示したものである。
Regarding the impulse response distribution r (X, y, z) on the yz plane, considering the amount of pressure waveform rising after the origin of X (X = 0), the integral of the following equation is expressed as “Latter Fulfilling” Factor) ”. FIG. 20 shows a numerical example of the rear sufficiency. FIG. 20 shows the rear sufficiency distribution on the yz projection plane on the assumption that the vehicle head shape is symmetrical.

従って、先頭部形状を作成するに当たっては、先頭部の前方側に後方充足度の低い値を示すインパルス応答が配置するようにする。この場合、「先頭部の前方側」、トンネル断面積と同じ面積となる円の半径をRとすると、x<0.5Rの範囲を指す。インパルス応答の拡がり方はRに比例するので、距離Rで測るのが合理的だからである。新幹線トンネルでは、概ねR=4.4mである。この具体的な例では、「先頭部の前方側」とは、先端から2.2mまでの範囲を指す。 Therefore, when creating the head portion shape, an impulse response indicating a low value of rearward satisfaction is arranged on the front side of the head portion. In this case, “the front side of the head” indicates a range of x <0.5R, where R is a radius of a circle having the same area as the tunnel cross-sectional area. This is because it is reasonable to measure the impulse response because it is proportional to R. In the Shinkansen tunnel, it is approximately R = 4.4m. In this specific example, “the front side of the head” refers to a range from the tip to 2.2 m.

次に、y−z平面上のインパルス応答の分布r(X,y,z) について、Xの負の領域で圧力波形が上昇する量を考え、次式の積分を「前方充足度(Former Fulfilling Factor)」として定義する。
Next, regarding the distribution r (X, y, z) of the impulse response on the yz plane, considering the amount that the pressure waveform rises in the negative region of X, the integral of the following equation is expressed as “Former Fulfilling” Factor) ”.

後方充足度と前方充足度のそれぞれの積分区間には重ならない領域があり、原点に対して対称ではないが、これは、図5に示すように、インパルス応答にはX軸についてのつよい非対称性があり、波形の重心位置が積分区間の間の区間に相当する−R<X<0の区間の中ほどである−0.5R付近にあることに着目し、このような指標を用いている。図21は前方充足度の数値例を示すものであり、車両先頭部形状が左右対称形状を前提としてy−z投影面上に前方充足度分布を示したものである。   There is a non-overlapping region in each integration interval of the rear sufficiency and the forward sufficiency, and it is not symmetrical with respect to the origin, but this is a strong asymmetry about the X axis in the impulse response as shown in FIG. Focusing on the fact that the center of gravity of the waveform is in the vicinity of -0.5R, which is the middle of the section of -R <X <0 corresponding to the section between the integration sections, such an index is used. . FIG. 21 shows a numerical example of the front sufficiency, and shows the front sufficiency distribution on the yz projection plane on the assumption that the vehicle head shape is a symmetrical shape.

従って、先頭部形状を作成するに当たっては、先頭部の後方側に前方充足度の低い値を示すインパルス応答が配置するようにする。この場合、「先頭部の後方側」、トンネル断面積と同じ面積となる円の半径をRとし、先頭部の長さをLとすると、L−0.5R<x<Lの範囲を指す。 Therefore, in creating the head portion shape, an impulse response indicating a low value of the front sufficiency is arranged on the rear side of the head portion. In this case, “the rear side of the head portion” indicates a range of L−0.5R <x <L, where R is a radius of a circle having the same area as the tunnel cross-sectional area and L is a length of the head portion.

前述したように、前方充足度及び後方充足度を求めた結果、先頭部の前方側には図15に示すように、ノーズの先端部23が扁平形状になるように形成することが好ましいことが分かった。そこで、先頭部形状を作成するに当たっては、扁平形状で形成されたノーズ断面の重心高さが、レールの上面から1000mm以上で1800mm以下の範囲にあることが好ましい。   As described above, as a result of obtaining the front sufficiency and the rear sufficiency, it is preferable that the front end portion of the nose is formed in a flat shape as shown in FIG. I understood. Therefore, in creating the head portion shape, it is preferable that the height of the center of gravity of the nose cross section formed in a flat shape is in the range of 1000 mm to 1800 mm from the upper surface of the rail.

また、前方充足度及び後方充足度を求めた結果、先頭部の後方側では、一般部の車両断面からx座標位置の断面を差し引いた領域(断面図を描いたx座標よりも後方で充足される領域)の重心高さがレールの上面から2600mm以上で4500mm以下の範囲にあるようにすることが好ましい。   Further, as a result of obtaining the front sufficiency and the rear sufficiency, on the rear side of the head portion, a region obtained by subtracting the cross section at the x coordinate position from the cross section of the vehicle of the general portion (the rear portion is satisfied from the x coordinate depicting the cross section). It is preferable that the height of the center of gravity of the region is 2600 mm or more and 4500 mm or less from the upper surface of the rail.

ところで、インパルス応答は、トンネル側面に近いものほど尖った波形となるので、側面部に大きな断面積変化を与えるような形状を形成することは好ましくない。複線トンネルにおいてトンネル壁面に近い部分であるから、y−z投影面上の最大幅に近い部分では単位応答の波形は図5に示すように最も尖っている。この部分で局所断面積変化率の大きな形状であると、圧力勾配波形にピークを作ってしまう。最大幅に近い部分以外の部分の単位応答波形はこれより緩やかであるから、緩やかなものの配置を工夫してもそれより尖った波形上の凸凹を修正することが困難になるからである。こうしたことから、先頭部形状の作成に当たっては、トンネル側面に近い車体側面部はできるだけ滑らかな形状にすることが要求される。そこで、次のような設計条件を定めた。   By the way, since the impulse response has a sharper waveform as it is closer to the side surface of the tunnel, it is not preferable to form a shape that gives a large cross-sectional area change to the side surface portion. Since it is a portion close to the tunnel wall surface in the double track tunnel, the unit response waveform is sharpest in the portion close to the maximum width on the yz projection plane as shown in FIG. If the shape has a large local cross-sectional area change rate in this portion, a peak is formed in the pressure gradient waveform. This is because the unit response waveform of the portion other than the portion close to the maximum width is gentler than this, so that it is difficult to correct unevenness on the sharper waveform even if the arrangement of the gentle one is devised. For this reason, when creating the head portion shape, the side surface portion of the vehicle body close to the side surface of the tunnel is required to be as smooth as possible. Therefore, the following design conditions were determined.

ここでは、先頭部の先端側を除いた区間(0.5R<x<L)について取り扱う。先頭部形状の車体幅をbとした場合、先頭部形状のx座標の当該区間内の任意の位置で、車体を幅方向(y方向)に4等分し、それらを更に−b<y<−0.5b(左端:1/4)、−0.5b<y<0.5b(中央:1/2)、0.5b<y<b(右端:1/4)の3領域に分ける。また、x=0.5Rの位置における断面積をAF=A(0.5R)、x=Lの位置における断面積をAR=A(L)とし、左端部分と右端部分を合算した領域の断面積をAside(x)とする。 Here, the section (0.5R <x <L) excluding the front end side of the head is handled. When the vehicle body width of the head portion shape is b, the vehicle body is divided into four equal parts in the width direction (y direction) at any position within the section of the x coordinate of the head portion shape , and these are further divided by -b <y < It is divided into three regions: -0.5b (left end: 1/4), -0.5b <y <0.5b (center: 1/2), and 0.5b <y <b (right end: 1/4). Further, the cross-sectional area at the position of x = 0.5R is AF = A (0.5R), the cross-sectional area at the position of x = L is AR = A (L), and the cross-sectional area of the region obtained by adding the left end portion and the right end portion is summed up. Is Aside (x).

よって、設計条件は、先頭部の先端側を除いた区間(0.5R<x<L)において、側面側の断面積変化率の最大値が、その区間の全体の断面積の平均値よりも大きくならないように、次式を満たすこととする。
Therefore, the design condition is that the maximum value of the cross-sectional area change rate on the side surface side is larger than the average value of the entire cross-sectional area in the section in the section (0.5R <x <L) excluding the front end side of the head portion. In order to avoid this, the following equation is satisfied.

以上、本発明について実施形態を説明したが、これに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。 Having described the embodiment for the present invention, without having to be limited to this, Ru der allows various modifications without departing from the spirit thereof.

また、前記実施形態では、インパルス応答を圧力を微分した圧力勾配波形であるものとしたが、その積分値である圧力波形であっても構わない。すなわち、圧力波形をインパルス応答として記憶してもよい。数1〜13式はそのまま使うことができ、rを[圧力÷面積]の次元を有する「単位圧力応答」、qを[圧力]の次元を有する「圧力波形」と読み替えて、トンネル微気圧波に対する評価を行うにあたって、得られたqを微分して圧力勾配を算出したとしても、得られる効果は前記実施形態で得られる効果と同じものである。
また、前記実施形態では、インパルス応答は、速度300km/hのものを示しているが、速度については実際に列車が運用される速度について用いることができる。
In the embodiment, the impulse response is a pressure gradient waveform obtained by differentiating the pressure. However, a pressure waveform that is an integral value thereof may be used. That is, the pressure waveform may be stored as an impulse response. Equations 1 to 13 can be used as they are, and r is replaced with “unit pressure response” having a dimension of [pressure divided by area], and q is replaced with “pressure waveform” having a dimension of [pressure]. Even when the pressure gradient is calculated by differentiating the obtained q in the evaluation, the obtained effect is the same as the effect obtained in the above embodiment.
Moreover, in the said embodiment, although the impulse response has shown the thing of speed 300km / h, it can be used about the speed at which a train is actually operated about speed.

また、前記実施形態のインパルス応答は、実際のトンネル入口周辺の幾何形状において求めることができる。例えば、トンネル断面と同じ形状かトンネル断面よりも大きな断面を有してトンネル入口に設置される騒音防止や雪害防止や土砂災害防止を目的とする覆いや、線路の脇にある防音壁、地形に合わせた切り土や盛り土など、トンネル入口周辺の気流に影響を及ぼす構造物を含んだ状態でインパルス応答データベースを数値計算によりあるいは実験的に求めて使用することができる。こうすることによって、これらの構造物を含んだ状態での圧力勾配波形を精度良く求めることができ、また、これらの構造物を考慮した状態で圧力勾配を低減する形状を求めることができる。   In addition, the impulse response of the embodiment can be obtained in the geometry around the actual tunnel entrance. For example, a cover that has the same shape as the tunnel cross section or larger than the tunnel cross section and is installed at the entrance of the tunnel to prevent noise, snow damage, and earth and sand disasters, a soundproof wall beside the track, and terrain The impulse response database can be used by numerical calculation or experimentally obtained in a state including structures that affect the air flow around the tunnel entrance, such as combined cut and fill. By doing so, the pressure gradient waveform in a state including these structures can be obtained with high accuracy, and a shape for reducing the pressure gradient can be obtained in a state in which these structures are taken into consideration.

更に、前記実施形態のインパルス応答は、断面位置1カ所ずつにトンネル打ち込み体を配置して求めており、サンプル点をy−z投影面上に25カ所設け、25回分の数値計算を行ったが、左右対称の条件を付すのであれば、あるサンプル点と車両中心線をはさんで対称の位置にあるサンプル点の両方に合計2か所の打ち込み体を配置して数値計算することができる。この場合は15回の数値計算で足りる。   Further, the impulse response of the above embodiment is obtained by arranging tunnel implants at each cross-sectional position, and 25 sample points are provided on the yz projection plane, and numerical calculation for 25 times is performed. If symmetrical conditions are attached, numerical calculation can be performed by placing a total of two driving bodies at both a sample point and a sample point at a symmetrical position across the vehicle center line. In this case, 15 numerical calculations are sufficient.

高速鉄道車両の先頭部形状を示した側面図である。It is the side view which showed the head part shape of the high-speed rail vehicle. インパルス応答を求めるトンネル突入計算のイメージ図である。It is an image figure of the tunnel entry calculation which calculates | requires an impulse response. y−z平面におけるインパルス応答のサンプル点を示した図である。It is the figure which showed the sample point of the impulse response in a yz plane. インパルス応答を求める際の打ち込み体を示した図である。It is the figure which showed the driving body at the time of calculating | requiring an impulse response. インパルス応答を示した図である。It is the figure which showed the impulse response. 車両先頭部の三次元形状を正面から見た等高線で示した図である。It is the figure which showed the three-dimensional shape of the vehicle head part with the contour line which looked at from the front. 軸対称モデルでの断面積応答の考え方を示した図である。It is the figure which showed the view of the cross-sectional area response in an axisymmetric model. インパルス応答を利用した三次元モデルでの断面積応答の考え方を示した図である。It is the figure which showed the view of the cross-sectional area response in the three-dimensional model using an impulse response. 先頭部形状について三次元形状の側面図と圧力勾配波形を示した図である。It is the figure which showed the side view and pressure gradient waveform of a three-dimensional shape about head part shape. 単位応答の重ね合わせで圧力勾配波形を求める実例を示した図である。It is the figure which showed the example which calculates | requires a pressure gradient waveform by superposition of a unit response. 単位応答に空間的な非一様性がある場合に圧力勾配波形を求める実例を示した図である。It is the figure which showed the example which calculates | requires a pressure gradient waveform, when a unit response has spatial nonuniformity. 各先頭部形状についてインパルス応答を利用して求めた圧力波形を示した図である。It is the figure which showed the pressure waveform calculated | required using the impulse response about each head part shape. 形状を構成する代表点を微小に移動させた場合に圧力勾配波形が変化する変分求める例を示した図である。It is the figure which showed the example which calculates | requires the variation which a pressure gradient waveform changes when the representative point which comprises a shape is moved minutely. 形状を構成する代表点を移動させて圧力勾配波形を改良する例を示した図である。It is the figure which showed the example which moves the representative point which comprises a shape, and improves a pressure gradient waveform. 先頭部形状について図1のベース形状と、それを最適化した最適形状とを重ねて示した図である。It is the figure which piled up and showed the base shape of FIG. 1, and the optimal shape which optimized it about the head part shape. 図1の先頭部形状を最適化した先頭部形状のみを示した斜視図である。It is the perspective view which showed only the head part shape which optimized the head part shape of FIG. 図16に示す先頭部形状について三次元形状を正面から見た等高線で示した図である。It is the figure which showed the three-dimensional shape about the head part shape shown in FIG. 16 with the contour line which looked at from the front. 他の先頭部形状をベースにして最適化した先頭部形状を示した斜視図である。It is the perspective view which showed the head part shape optimized based on the other head part shape. 図18に示す先頭部形状について三次元形状を正面から見た等高線で示した図である。It is the figure which showed the three-dimensional shape about the head part shape shown in FIG. 18 with the contour line which looked at from the front. y−z投影面上の後方充足度分布を示したものである。It shows a backward sufficiency distribution on the yz projection plane. y−z投影面上の前方充足度分布を示したものである。It shows the forward sufficiency distribution on the yz projection plane. 異なる先頭部形状によって生じる圧縮波の圧力勾配分布を示した図である。It is the figure which showed the pressure gradient distribution of the compression wave produced by a different head part shape.

符号の説明Explanation of symbols

10 打ち込み体 10 Driving body

Claims (8)

高速鉄道車両における先端から進行方向に直交する断面が最大となる当該進行方向位置までの先頭部について形状を三次元で特定し、その任意に作成された先頭部形状の高速鉄道車両がトンネルへ突入する際に発生する圧力波形を求める方法であり、
車両進行方向のx軸に直交するy−z投影面上で任意に細分された領域を代表する複数位置において、単位量の断面積変化がもたらす圧力波のインパルス応答を求め、当該インパルス応答をデータベースとして保存し、
前記任意に作成された先頭部形状について、当該先頭部形状の細分された領域ごとの領域断面積変化率と、前記データベースの対応するインパルス応答とを畳み込み積分して総和することを特徴とする高速鉄道車両の先頭部形状について圧力波形を求める方法。
The shape of the leading part from the tip of the high-speed railway vehicle to the position in the traveling direction where the cross section perpendicular to the traveling direction is maximum is specified in three dimensions, and the arbitrarily created high-speed railway vehicle with the leading part shape enters the tunnel. It is a method to obtain the pressure waveform generated when
The impulse response of the pressure wave caused by the change in the cross-sectional area of the unit amount is obtained at a plurality of positions representing an arbitrarily subdivided region on the yz projection plane orthogonal to the x axis in the vehicle traveling direction, and the impulse response is stored in the database. Save as
A high speed characterized in that the arbitrarily created head shape is summed by convolution integration of the area cross-sectional area change rate for each subdivided region of the head shape and the corresponding impulse response of the database. A method for obtaining a pressure waveform for the shape of the top of a rail vehicle.
高速鉄道車両における先端から進行方向に直交する断面が最大となる当該進行方向位置までの先頭部について形状を三次元で特定し、その任意に作成された先頭部形状の高速鉄道車両がトンネルへ突入する際に発生する圧力波形を求める方法であり、
車両進行方向のx軸に直交するy−z投影面上の任意の複数位置において、単位量の断面積変化がもたらす圧力波のインパルス応答を求め、当該インパルス応答をデータベースとして保存し、
座標(y,z)を代表するインパルス応答を前記データベースに基づきr(X,y,z)として関数で表現し、座標(y,z)における前記先頭部形状の外表面のx座標をu(y,z)として関数で表現し、y−z平面に車両を投影したときに車両が存在する領域σにおいて、
の積分計算をすることによって、前記任意に作成された先頭部形状の圧力波形q(X)を求めることを特徴とする高速鉄道車両の先頭部形状について圧力波形を求める方法。
The shape of the leading part from the tip of the high-speed railway vehicle to the position in the traveling direction where the cross section perpendicular to the traveling direction is maximum is specified in three dimensions, and the arbitrarily created high-speed railway vehicle with the leading part shape enters the tunnel. It is a method to obtain the pressure waveform generated when
Obtaining an impulse response of a pressure wave caused by a change in cross-sectional area of a unit amount at an arbitrary plurality of positions on a yz projection plane orthogonal to the x axis in the vehicle traveling direction, and storing the impulse response as a database;
An impulse response representing the coordinates (y, z) is expressed as a function as r (X, y, z) based on the database, and the x coordinate of the outer surface of the head shape at the coordinates (y, z) is represented by u ( y, z) as a function, and in a region σ where the vehicle exists when the vehicle is projected onto the yz plane,
A method for obtaining a pressure waveform for a top shape of a high-speed railway vehicle, wherein the pressure waveform q (X) of the arbitrarily created top shape is obtained by performing integral calculation.
高速鉄道車両における先端から進行方向に直交する断面が最大となる当該進行方向位置までの先頭部について形状を三次元で特定し、その任意に作成された先頭部形状の高速鉄道車両がトンネルへ突入する際に発生する圧力波形を求める方法であり、
車両進行方向のx軸に直交するy−z投影面上の任意の複数位置において、単位量の断面積変化がもたらす圧力波のインパルス応答を求め、当該インパルス応答をデータベースとして保存し、
座標(y,z)を代表するインパルス応答を前記データベースに基づきr(X,y,z)として関数で表現し、座標(y,z)における前記先頭部形状の外表面のx座標をu(y,z)として関数で表現し、座標xの位置で前記先頭部形状を切断した車体外形線で囲まれた面積をA(x)とし、トンネルの断面積をSとした場合に、y−z平面に車両を投影したときに車両が存在する領域σにおいて、
の積分計算をすることによって、前記任意に作成された先頭部形状の圧力波形q(X)を求めることを特徴とする高速鉄道車両の先頭部形状について圧力波形を求める方法。
The shape of the leading part from the tip of the high-speed railway vehicle to the position in the traveling direction where the cross section perpendicular to the traveling direction is maximum is specified in three dimensions, and the arbitrarily created high-speed railway vehicle with the leading part shape enters the tunnel. It is a method to obtain the pressure waveform generated when
Obtaining an impulse response of a pressure wave caused by a change in cross-sectional area of a unit amount at an arbitrary plurality of positions on a yz projection plane orthogonal to the x axis in the vehicle traveling direction, and storing the impulse response as a database;
An impulse response representing the coordinates (y, z) is expressed as a function as r (X, y, z) based on the database, and the x coordinate of the outer surface of the head shape at the coordinates (y, z) is represented by u ( y−z) as a function, where A (x) is the area surrounded by the vehicle body outline obtained by cutting the head shape at the position of the coordinate x, and S− is the cross-sectional area of the tunnel. In the region σ where the vehicle exists when the vehicle is projected on the z plane,
A method for obtaining a pressure waveform for a top shape of a high-speed railway vehicle, wherein the pressure waveform q (X) of the arbitrarily created top shape is obtained by performing integral calculation.
請求項1乃至請求項3のいずれかに記載する高速鉄道車両の先頭部形状について圧力波形を求める方法において、
前記データベースに保存されているインパルス応答以外のy−z投影面上位置のインパルス応答は、データベースに保存されているインパルス応答から補間によって求めることを特徴とする高速鉄道車両の先頭部形状について圧力波形を求める方法。
In a method for obtaining a pressure waveform for a top shape of a high-speed rail vehicle according to any one of claims 1 to 3,
The impulse response at a position on the yz projection plane other than the impulse response stored in the database is obtained by interpolation from the impulse response stored in the database. How to find the waveform.
請求項1乃至請求項4のいずれかに記載する方法によって圧力波形が求められた高速鉄道車両の先頭部形状について最適化を行う方法であり、
前記圧力波形を導き出したインパルス応答の波形の原点位置をX軸に沿って移動させることによって前記圧力波形を変化させる手続きを複数回行い、その複数の手続きによって得られた圧力波形から、より優れた値を示す圧力波形を選択し、その選択した圧力波形におけるインパルス応答の波形の移動量に相当する量だけ車両表面の形状を変位させて新たな先頭部形状を求めることを特徴とする先頭部形状の最適化方法。
A method for optimizing the shape of the leading portion of a high-speed railway vehicle whose pressure waveform is obtained by the method according to any one of claims 1 to 4,
The procedure for changing the pressure waveform by moving the origin position of the impulse response waveform from which the pressure waveform was derived along the X axis is performed a plurality of times, and the pressure waveform obtained by the plurality of procedures is more excellent. Selecting a pressure waveform indicating a value and displacing the shape of the vehicle surface by an amount corresponding to the amount of movement of the impulse response waveform in the selected pressure waveform to obtain a new head shape Optimization method.
請求項5に記載する先頭部形状の最適化方法において、
前記インパルス応答のX軸に沿った移動は、好ましい圧力波形と前記圧力波形との差を2乗して、任意に設定した波形上の評価区間で積分したものを残差とし、その残差をゼロに近づけるようにしたことを特徴とする先頭部形状の最適化方法。
In the optimization method of the head part shape according to claim 5,
The movement of the impulse response along the X axis is obtained by squaring the difference between the preferable pressure waveform and the pressure waveform, and integrating it in the evaluation section on the arbitrarily set waveform. A method for optimizing the shape of the head part, characterized in that it approaches zero.
請求項5又は請求項6に記載する先頭部形状の最適化方法において、
前記インパルス応答のX軸に沿った移動に際して当該インパルス応答をX座標で微分し、最適な移動方向と移動量とを微分値に基づいて求めるようにしたことを特徴とする先頭部形状の最適化方法。
In the optimization method of the head part shape according to claim 5 or claim 6,
When the impulse response moves along the X axis, the impulse response is differentiated with respect to the X coordinate, and an optimum moving direction and amount of movement are obtained based on the differential value. Method.
請求項5乃至請求項7のいずれかに記載する先頭部形状の最適化方法を用いて得られたことを特徴とする高速鉄道車両の先頭部形状。 A head shape of a high-speed railway vehicle, which is obtained by using the method for optimizing a head shape according to any one of claims 5 to 7.
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