平成26年度 車両技術展示会 研究の目標 構体の高強度 構体 の高強度化と軽量化 の高強度化と 化と軽量化の両立を図るため 軽量化の両立を図るため、 の両立を図るため、車両構体の 車両構体の構 造精緻な応力解析をもとにした 造精緻な応力解析をもとにした最適化 した最適化手法を構築する 最適化手法を構築する。 手法を構築する。 ⇒鉄道車両の安全性の向上や省エネ化に繋がる 構造最適化手法による 車両構体の強度向上 従来の取組み • 板厚のみを目的関数とした構造最適化 • ハイトラムの骨組み構造の位相最適化 • ダブルスキン構造の最適化 鉄道力学研究部 （計算力学） 高垣 昌和 板厚の構造最適化 1 2 車両モデルによる 応力解析結果 1車両モデルは 車両モデルは、大規模となるため細密なモデル化が困難 ⇒ズーミング法による評価領域の高精度モデル 3 (m/s2) 車両構体の構造最適化 ダブルスキン構造 骨組の位相最適化 位 1,2 2 度0 速加-1 -2 -3 0 高強度化および軽量化を目指した構造最適化手法の提案 高強度化および軽量化を目指した構造最適化手法の提案 3 (m/s2) 1車両モデルによる高応力領域の評価 車両モデルによる高応力領域の評価 走行試験データを基にした動的応力解析 ズーミング法による細密モデルの適用 溶接部のモデル化 1車両FEM 車両FEMモデル FEMモデル 繰り返し 負 荷 位 3,4 1 2 0.02 0.04 0.06 時間 (s) 垂直負荷 位 1 位 2 位 3 位 4 1 度0 速加-1 -2 1車両FEM 車両FEMモデル FEMモデル -3 0 0.02 0.04 時間 (s) ねじり負荷 0.06 （側面） （屋根内側） （車両全体） ねじり負荷時のMises相当応力（GPa） 高負荷領域 １車両モデルによる応力解析（FEM １車両モデルによる応力解析（FEM） FEM） 3 4 部分構体モデルによる構造最適化 高負荷領域の形状最適化（側構構体） MPa MPa 最適化実施後 質量: 質量:12 %低減 最大応力 最大応力： 応力： 18% 18%減 （構体側面窓コーナー部） 構体側面窓コーナー部） Misesの相当応力コンター図（質量低減12%） （屋根部） 屋根部） 250 部分構体FEM 部分構体FEMモデル FEMモデル *ズーミング法 全領域を粗いモデル で解析を行い、その 計算結果を境界値と して、特定の局所領 域を精細なモデルに より解析する手法 MPa 最適化条件 • 目的関数：応力最小 • 制約条件：構体質量(保持、12%減、20%減） 境界条件 • １車両モデルによる解析からのズーミング ⇒モデルの同位置の変位を適用 1 0.8 200 150 力応 100 0 0.6 0.4 応力 軽量化率 5 10 最適計算 繰り返し数 最適化計算の経過 5 率化 量軽 0.2 0 最適化前 部分領域モデル（側柱） 6 高負荷領域の形状最適化（屋根部） 一車両全体における形状最適化の効果 最適化実施後 質量: 質量:12 %低減 最大応力 応力： 12%減 最大 応力： 12% 最適化構造の一車両モデルに適用 最適化前 最適化後 Misesの相当応力コンター図（質量低減12%） MPa 250 0.8 200 150 力 応 0.6 0.4 100 0 強度向上と軽量化は、トレードオフの関係にある 1 応力 50 率化 量軽 0.2 軽量化率 0 5 10 最適計算 繰り返し数 最適化計算の経過 発生応力 構体質量 ％ 40 果 効 30 減 低 の 20 力 応 生 発10 最適化前 部分領域モデル（たるき） 7 20 10 0 0 高強度化← 最適化ウエイト →軽量化 ％ 構体の質量 構体の質量一定 質量一定 果 効 減 最大発生応力： 最大発生応力：40 %低減 低 の 量 最大応力一定 質 最大応力一定 体 構 軽量化： 軽量化： 7% 構造最適化による効果 8 研究のまとめ オリジナリティ • スポット溶接部などを再現した精緻な1車両モデルの 応力解析をもとに高負荷領域の構造最適化を実施 • 鉄道車両構体に適用可能な構造最適化アルゴリズ ムを構築した を構築した 活用性 • ズーミング法を活用したFEM ズーミング法を活用したFEM解析により一車両の応 FEM解析により一車両の応 力評価を効率的に実施する手法を 力評価を効率的に実施する手法を構築した 実施する手法を構築した 既存構体の延命工事における構造 既存構体の延命工事における構造検討 の延命工事における構造検討 乗り心地等の改善に向けた剛性評価 乗り心地等の改善に向けた剛性評価 • 在来線車両に対して構造最適化 在来線 車両に対して構造最適化手法を適用し 車両に対して構造最適化 手法を適用し、 手法を適用し 、 構 体の高強度 体の高 強度化および 強度 化および軽量化が 化および軽量化が実現可能であること 軽量化が 実現可能であること を示した 新構体構造の 新構体構造の提案 構造の提案 主要な研究成果 「構造最適化手法による車両構体の強度向上」 9 今後の展開 ●N505141R「プレス成型体による車両構体の提案」 実施期間:2014-2016年度 • 従来構造から脱却し、最適化手法を元に新たな 構体構造の提案を目指す • 軽量化に加えて剛性の向上、低重心化を目的として、 最適化手法を適用していく 機器による荷重 連結車両に よる荷重 振動荷重 車両構体のバルクモデル 11 10
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