(57)【要約】【課題】構体の軽量化と高剛性化とを同時に実現できる鉄道車両用構体を提供すること。【解決手段】外側面板６と内側面板７とを中板８で連結した中空形材５を複数接続して側構体２と屋根構体３とを別々、あるいは一体として製作し、台枠４上に立設した側構体２の上に屋根構体３を載せて、あるいは、側構体３と屋根構体３とを一体で製作したものを台枠４に載せて結合した鉄道車両用構体１０であって、車体外形線Ｍを一定とし、内側面板７の断面法線方向位置を構体各部で発生する応力に基づいて変化させ、応力が大きい部位（構体肩部１４や屋根構体３の中心位置３ａ）では構体厚Ｗ１，Ｗ２を厚くし、応力が小さい部位（屋根構体３の中心位置３ａと構体肩部１４との間に位置する部位３ｂ）では構体厚Ｗ３を薄くする。【選択図】　　図１
2004090850.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外側面板と内側面板とを中板で連結した中空形材を複数接続して側構体と屋根構体とを別々に製作して、台枠上に立設した前記側構体の上に前記屋根構体を載せて結合し、あるいは、前記側構体と前記屋根構体とを一体として製作し、台枠に載せて結合した鉄道車両用構体において、
前記外側面板の断面方向位置により決定される車体外形線を一定とし、前記内側面板の断面方向位置を構体各部で発生する応力に基づいて変化させ、前記外側面板と前記内側面板とで形成される構体断面方向の厚さを応力の大きい部位では厚く、応力の小さい部位では薄くすることを特徴とする鉄道車両用構体。
【請求項２】
請求項１に記載する鉄道車両用構体において、
前記屋根構体と前記側構体とを結合する構体肩部付近の構体断面方向の厚さが、前記側構体と前記屋根構体の全体を平均した構体断面方向の厚さよりも厚いことを特徴とする鉄道車両用構体。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載する鉄道車両用構体において、
前記構体肩部は、前記側構体及び前記屋根構体を構成する曲線よりも曲率の大きい曲線で前記側構体と前記屋根構体とを結合したものであって、前記側構体が前記台枠に固定される固定部を除いて、前記側構体と前記屋根構体の中で前記構体断面方向の厚さを最も厚くする部位を有し、
前記構体断面方向の厚さを最も厚くする部位は、
構体断面において屋根構体の中心位置又は構体の最大高さ位置から水平方向に第１直線を描き、
構体の最大幅位置から垂直方向に第２直線を描き、
前記第１直線と前記第２直線とが交差する点を第３点として規定し、
前記外側面板によって形成される車体外形線のうち前記構体肩部を形成する曲線の中心点を第４点として規定し、
前記第３点と前記第４点とを結んで第５直線を描き、
前記第５直線が前記車体外形線と交差する点を第６点として規定したときに、
前記第６点が位置する部位であることを特徴とする鉄道車両用構体。
【請求項４】
請求項３に記載する鉄道車両用構体において、
前記構体肩部は、前記内側面板によって形成される基準線である車体内形線が、前記第５直線上に規定した第７点を中心点とする曲線で形成されていることを特徴とする鉄道車両用構体。
【請求項５】
請求項３又は請求項４に記載する鉄道車両用構体において、
前記構体断面方向の厚さを最も厚くする部位では、構体断面方向の厚さが、前記側構体と前記屋根構体の全体を平均した構体断面方向の厚さの１．５〜１．６倍の厚さで形成されていることを特徴とする鉄道車両用構体。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５の何れか１つに記載する鉄道車両用構体において、
前記屋根構体の構体幅方向の中心位置における構体断面方向の厚さが、前記側構体と前記屋根構体の全体を平均した構体断面方向の厚さより厚いことを特徴とする鉄道車両用構体。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６の何れか１つに記載する鉄道車両用構体において、
前記屋根構体の構体幅方向の中心位置における構体断面方向の厚さが、側構体と屋根構体の全体を平均した構体断面方向の厚さの１．１〜１．２倍の厚さであることを特徴とする鉄道車両用構体。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７の何れか１つに記載する鉄道車両用構体において、
前記屋根構体の中心位置と前記構体肩部との間に前記構体断面の中で構体断面方向の厚さが最も薄い部位を設けたことを特徴とする鉄道車両用構体。
【請求項９】
請求項８に記載する鉄道車両用構体において、
前記構体肩部の構体断面方向の厚さが最も厚い部位と、前記屋根構体の中心位置と前記構体肩部との間に設けた構体断面方向の厚さが最も薄い部位と、前記屋根構体の中心位置とをなめらかに結んで車体内形線を形成することを特徴とする鉄道車両用構体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、中空形材で構成される鉄道車両用構体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、図９に示すように、鉄道車両用構体１００は、台枠１０１と、台枠１０１に溶接されて長手方向に対して左右の面を形成する側構体１０２と、側構体１０２に載せて溶接される屋根構体１０３と、車体長手方向に対して両端を閉鎖する面を形成する妻構体１０４とを有している。台枠１０１の車端寄には連結器１０９が固設され、他の鉄道車両用構体１００とを連結可能になっている。
【０００３】
鉄道車両用構体１００には、乗員や積載する機器などの重量に基づく垂直荷重や、走行時の前後荷重などが作用し、それらの荷重に耐えうる所定の強度と剛性が必要とされる反面、走行速度の高速化に伴って軽量化が要求されている。そのため、近年の鉄道車両用構体１００では、側構体１０２と屋根構体１０３に複数の中空形材１０５を周方向に溶接したものを使用することにより軽量化を図りながら構体の剛性と強度を確保している（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
中空形材１０５は、図１０に示すように、所定幅の外側面板１０６と内側面板１０７とを中板１０８で連結するよう押出成形で成形したものである。中空形材１０５を使用して中空構造の鉄道車両用構体１００を構成する場合には、外側面板１０６と内側面板１０７とで形成される構体断面方向の厚さ（以下、「構体厚」という。）Ａ、外側面板１０６の板厚Ｂ、内側面板１０７の板厚Ｃ、中板の配置及び板厚Ｄが設計パラメータとされている。
【０００５】
鉄道車両用構体１００は、図１１に示すように、側構体１０２と屋根構体１０３の構体厚Ａが一様の厚さに設定されている。側構体１０２と屋根構体１０３とが結合する構体肩部１１４は、最大応力が発生することが経験的に知られているので、側構体１０２と屋根構体１０３の構体厚Ａより厚くされている（例えば、特許文献２参照）。こうして決定された構体厚分布の状態で、構体に負荷される荷重に対し、所定の強度及び剛性を確保するために、鉄道車両用構体１００では、中板１０８を配置し、外側面板１０６の板厚Ｂ、内側面板１０７の板厚Ｃ及び中板１０８の板厚Ｄをそれぞれ変化させている（例えば、特許文献３参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特許第２７８４２７９号明細書（第３頁、第１図、第２図参照。）。
【特許文献２】
特許第２６６９５３５号明細書（第４頁、第５図参照。）。
【特許文献３】
特許第３０６９０３７号明細書（第４頁、第１図、第２図参照。）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の鉄道車両用構体１００は、垂直荷重や前後荷重に対しては外側面板１０６の板厚Ｂと内側面板１０７の板厚Ｃとを変化させることのみで対応しても、大きな重量増とはならないのに対し、気密荷重では、構体断面方向に力が加えられるので、外側面板１０６の板厚Ｂと内側面板１０７の板厚Ｃとを変えるだけでは、構体の剛性と強度の確保と軽量化とを十分に実現できない問題があった。
【０００８】
つまり、鉄道車両用構体１００は客室空間の気密性が確保されており、トンネルに突入する時に、客室内の気圧とトンネル内の空気圧との間に生ずる差圧により、構体断面周方向の力と構体の長手方向を回転軸とする曲げモーメントによる応力が、側構体１０２と屋根構体１０３の各部に発生し、構体断面方向に大きな変形が生じる。車両が使用される期間に負荷されるこの荷重の大きさと回数を精確に知ることは難しいが、これまでの計測等から強度基準として材料の耐力に安全率を乗じた値や疲労限の値を適用し、外側面板１０６の板厚Ｂ及び内側面板１０７の板厚Ｃを決定している。
【０００９】
しかしながら、外側面板１０６の板厚Ｂと内側面板１０７の板厚Ｃとを変化させるだけでは、所定の強度及び剛性を確保しつつ、大幅な軽量化を図ることは困難であった。すなわち、構体断面周方向の力に対しては、外側面板１０６の板厚Ｂと内側面板１０７の板厚Ｃを変化させることで対応が可能であるが、構体の長手方向を回転軸とする曲げモーメントに対して外側面板１０６の板厚Ｂと内側面板１０７の板厚Ｃを変化させることだけで対応することは効率が悪く、重量増を招くことになっていた。
【００１０】
そこで本発明は、かかる課題を解決すべく、構体の軽量化と高剛性化とを同時に実現できる鉄道車両用構体を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本願請求項１に記載する発明は、外側面板と内側面板とを中板で連結した中空形材を複数接続して側構体と屋根構体とを別々に製作して、台枠上に立設した側構体の上に屋根構体を載せて結合し、あるいは、側構体と屋根構体とを一体として製作し、台枠に載せて結合した鉄道車両用構体において、外側面板の断面方向位置により決定される車体外形線を一定とし、内側面板の断面方向位置を構体各部で発生する応力に基づいて変化させ、外側面板と内側面板とで形成される構体断面方向の厚さを応力の大きい部位では厚く、応力の小さい部位では薄くすることを特徴とする。
【００１２】
すなわち、鉄道車両用構体は客室空間の気密性が確保されており、トンネルに突入する時に、客室内の気圧とトンネル内の気圧との間に生ずる差圧により、構体断面周方向の力と構体の長手方向を回転軸とする曲げモーメントとによる応力が、構体各部に発生する。鉄道車両用構体は、応力が大きい部位においては、内側面板を外側面板から離れる方向に成形することにより構体断面方向の厚さ（以下、「構体厚」という。）を厚くして変形を抑える一方、応力が小さい部位においては、内側面板を外側面板側に近づける方向に成形することにより構体厚を薄くしている。これにより、構体各部で必要な剛性と強度を確保することができる。従って、鉄道車両用構体は、側構体と屋根構体とを一様な構体厚にせず、応力に基づいて側構体と屋根構体の構体厚を構体各部で変化させることにより、構体の軽量化と高剛性化とを同時に実現することができる。
【００１３】
また、請求項２に記載する発明は、請求項１に記載の発明において、屋根構体と側構体とを結合する構体肩部付近の構体断面方向の厚さが、側構体と屋根構体の全体を平均した構体断面方向の厚さよりも厚いことを特徴とする。
すなわち、鉄道車両用構体は、側構体が台枠に固定されているため、例えば、外向きの等分布荷重が作用したときに、屋根構体と側構体とが外側に膨らもうとするので、曲率の大きい構体肩部に大きな曲げモーメントが発生する。構体肩部付近は、構体厚が側構体と屋根構体の構体厚全体を平均した構体厚（以下、平均構体厚」という。）より厚く設定されているので、上記曲げモーメントに対する剛性と強度が十分確保されている。従って、鉄道車両用構体では、屋根構体の変形を抑えることができ、構体全体の変形量を小さくすることができる。
【００１４】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、構体肩部は、側構体及び屋根構体を構成する曲線よりも曲率の大きい曲線で側構体と屋根構体とを結合したものであって、側構体が台枠に固定される固定部を除いて、側構体と屋根構体の中で構体断面方向の厚さを最も厚くする部位を有し、構体断面方向の厚さを最も厚くする部位は、構体断面において屋根構体の中心位置又は構体の最大高さ位置から水平方向に第１直線を描き、構体の最大幅位置から垂直方向に第２直線を描き、第１直線と第２直線とが交差する点を第３点として規定し、外側面板によって形成される車体外形線のうち構体肩部を形成する曲線の中心点を第４点として規定し、第３点と第４点とを結んで第５直線を描き、第５直線が車体外形線と交差する点を第６点として規定したときに、第６点が位置する部位であることを特徴とする。
【００１５】
また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、構体肩部は、内側面板によって形成される基準線である車体内形線が、第５直線上に規定した第７点を中心点とする曲線で形成されていることを特徴とする。
また、請求項５に記載の発明は、請求項３又は請求項４に記載の発明において、構体断面方向の厚さを最も厚くする部位では、構体断面方向の厚さが、側構体と屋根構体の全体を平均した構体断面方向の厚さの１．５〜１．６倍の厚さで形成されていることを特徴とする。
【００１６】
鉄道車両用構体は、最大幅位置を通る垂直線と、最大高さ位置を通る水平線によって構成される門型の領域内に曲線を用いて車体外形線を決定し、側構体と屋根構体とを配置している。側構体と屋根構体とが結合する構体肩部は、一般的に曲率が大きいため、断面方向に曲げようとする大きな力が作用し、構体肩部付近の応力値が大きくなる。従って、車体外形線に基づいて、屋根構体の中心位置から水平方向に第１直線を描き、構体最大幅位置から垂直方向に第２直線を描くことによって門型を形成し、第１直線と第２直線とが交差する第３点に相当する位置を車体外形線上に何らかの方法で投影することができれば、鉄道車両用構体の中で応力値が高くなるおおよその部位を求めることができる。
【００１７】
かかる観点より、第１直線と第２直線とが交差する点である第３点は、車体外形線のうち構体肩部を形成する曲線の中心点である第４点と第５直線で結ばれ、第５直線が車体外形線と公差する点である第６点が求められる。第６点は、第３点が車体外形線上に移動したものと考えられるため、第６点が位置する部位の構体厚を構体のうちで最も厚く形成すればよいことになる。こうした傾向は、車体外形線が異なる数種類の鉄道車両用構体の形状を最適化した場合にも認められ、側構体の固定部を除いて構体の中で最も構体厚を厚くする部位を車体外形線のみから導出することが可能であると考えられる。
【００１８】
そして、第６点が位置する部位の構体厚を最も厚くするためには、第５直線上に規定した第７点を中心点とする曲線で構体肩部の車体内形線を形成することが、必要十分である。
第７点は、第６点が位置する部位の構体厚が、側構体と屋根構体の平均構体厚の１．５〜１．６倍となるように構体肩部の車体内形線を描くべく、第５直線上に規定される。ここで、第６点が位置する部位の構体厚を平均構体厚の１．５〜１．６倍にしたのは、平均構体厚の１．５倍未満にすると構体の剛性が不足する一方、平均構体厚の１．６倍より大きくすると、剛性が過剰になるとともに客室空間を不必要に狭めることになるからである。
【００１９】
従って、鉄道車両用構体は、側構体の固定部を除いて、構体の中で最も構体厚を厚くする部位や形状などを車体外形線から簡単に決定することができる。また、このようにして決定した構体厚分布を基に中空構造を構成し、面板を配置すれば、面板板厚を極度に増す必要がなくなるので、構体の軽量化を実現できるとともに、構体各部の剛性を最適なものとすることができる。
【００２０】
また、請求項６に記載する発明は、請求項１乃至請求項５の何れか１つに記載の発明において、屋根構体の構体幅方向の中心位置における構体断面方向の厚さが、側構体と屋根構体の全体を平均した構体断面方向の厚さより厚いことを特徴とする。
すなわち、屋根構体は、例えば気密荷重を受けたときに、構体幅方向の中心位置が上下方向に変形しようとするが、屋根構体における構体幅方向の中心位置が平均構体厚より厚く形成されて構体の剛性が高められているため、屋根構体の変形が抑えられ、構体全体の変形量を小さくすることができる。
【００２１】
また、請求項７に記載の発明は、請求項１乃至請求項６の何れか１つに記載の発明において、屋根構体の構体幅方向の中心位置における構体断面方向の厚さが、側構体と屋根構体の全体を平均した構体断面方向の厚さの１．１〜１．２倍の厚さであることを特徴とする。
すなわち、屋根構体は、中心位置の構体厚が平均構体厚の１．１〜１．２倍になるように、中心位置の車体内形線を形成する。このように屋根構体の中心位置の構体厚を平均構体厚の１．１〜１．２倍にするのは、平均構体厚の１．１倍未満にすると、構体の剛性が不足する一方、平均構体厚の１．２倍より大きくすると、剛性が過剰になるとともに客室空間を不必要に狭めることになるからである。従って、鉄道車両用構体は、屋根構体中央における剛性を適正なものとすることができる。
【００２２】
また、請求項８に記載の発明は、請求項１乃至請求項７の何れか１つに記載の発明において、屋根構体の中心位置と構体肩部との間に構体断面の中で構体断面方向の厚さが最も薄い部位を設けたことを特徴とする。
すなわち、この部位では、曲げモーメントがゼロ又は非常に小さいため、構体厚を薄くしても構体の変形が増加しない。構体を薄くすることで、軽量化とともに、客室空間を僅かでも広くすることが可能となる。
【００２３】
また、請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の発明において、構体肩部の構体断面方向の厚さが最も厚い部位と、屋根構体の中心位置と構体肩部との間に設けた構体断面方向の厚さが最も薄い部位と、屋根構体の中心位置とをなめらかに結んで車体内形線を形成することを特徴とする。
すなわち、側構体と屋根構体における構体厚の変化率が小さいため、構体の変形も滑らかになり、構体各部に生ずる応力を従来のものより均一なものに近づけることができると共に応力値及び変形量を小さくすることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の鉄道車両用構体に係る実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１は、鉄道車両用構体１０の側構体２と屋根構体３の断面図である。
本実施の形態の鉄道車両用構体１０は、図９に示す従来技術のものと同様、側構体２と屋根構体３がアルミニウム合金製の中空形材５を周方向に複数溶接して構成されたものであるが、図１に示すように、側構体２と屋根構体３の構体断面方向の厚さ、すなわち構体厚Ａ（図１０参照）を構体各部で生じる応力に基づいて変化させている点で、側構体１０２と屋根構体１０３を一様の構体厚Ａにする従来のものと相違している。
【００２５】
図２は、鉄道車両用構体の形状を最適化する際に使用されるコンピュータ３０のブロック図である。
鉄道車両用構体１０は、初期形状の鉄道車両用構体をコンピュータ３０を用いて最適化されている。コンピュータ３０は、種々の演算や制御等を行うＣＰＵ３１に入出力装置３２や記憶装置３３などが接続されている。入出力装置３２は、データ等を入力したり、演算結果などを出力するものである。また、記憶装置３３は、入出力装置３２から入力された情報、ＣＰＵが演算した演算結果、鉄道車両用構体の形状を最適化するためのプログラムなどを記憶するものである。
【００２６】
鉄道車両用構体の形状を最適化するためのプログラムは、鉄道車両用構体の初期形状（初期値として与えられる構体厚Ａなど）と当該領域に与えられた境界条件（負荷荷重、拘束条件など）によって発生するひずみ、応力に関し、連続体力学における平均コンプライアンス（Φ）と呼ばれる次式の数１を考え、平均コンプライアンスが与えられた制約条件（体積、部分的な構体厚Ａの固定、構体厚Ａの最小値など）のもとで最小化された状態を最適であるとしている。εはひずみ、Ｄは応力−ひずみの関係式、Ωは検討対象の領域である。
【００２７】
【数１】
2004090850.tif 000003
【００２８】
こうした平均コンプライアンスの最小化に関しては、例えば、日本機械学会論文集（Ａ編）６０巻５７８号（１９９４−１０）第１４４〜１５０頁に掲載する「線形弾性問題における領域最適化解析」に詳細に記載されている。その概要は以下の通りである。
「線形弾性問題における領域最適化解析」は、線形弾性体の領域形状を設計変数にした領域最適化問題を連続体のままで定式化しておいて、分布系の最適化理論を適用することによって導出される領域変動の支配方程式を基礎にして領域最適化問題にアプローチしている。数値解析法は、支配方程式を解くための方法として定式化され、その１つの方法として力法が提案されている。力法は、領域変動の支配方程式を線形弾性問題の境界値問題に置き換えて解くために、有限要素法などを利用することができる。また、支配方程式に現れる形状勾配関数も有限要素法などを利用して解析することができる。そこで、「線形弾性問題における領域最適化解析」は、平均コンプライアンスの最小化問題を定式化し、それに対する最適性基準と最適化基準に基づいて算出される形状勾配関数を明らかにした上で、形状勾配関数を用いた力法を線形弾性体の領域問題に適用している。
【００２９】
鉄道車両用構体の形状を最適化するプログラムは、上記「線形弾性問題における領域最適化解析」を適用したものであり、初期形状の鉄道車両用構体を有限な要素に分割し、形状勾配関数の演算結果が収束するまで、つまり、数１に示す平均コンプライアンスが最小になるまで初期形状の鉄道車両用構体の形状を変化させることにより、鉄道車両用構体の形状を最適化している。図３は、鉄道車両用構体の形状を最適化するプログラムのフローチャートである。図４は、鉄道車両用構体の一部を有限要素に分割した概念図である。
【００３０】
コンピュータ３０のＣＰＵ３１は、記憶手段３３から鉄道車両用構体の形状を最適化するプログラムを読み出し、図３のステップ１（以下、「Ｓ１」いう。）において、初期形状解析モデル（有限要素法）を入出力装置３２に入力する。
【００３１】
次に、図３のＳ２において強度解析を行う。強度解析は、コンピュータ３０のＣＰＵ３１が初期形状解析モデルを読み出し、それに基づいて変位量と発生応力を算出して行う。
【００３２】
次に、Ｓ３において、感度解析を行う。感度解析では、数２に示す形状勾配関数Ｇを演算する。
【００３３】
【数２】
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【００３４】
この数２に示す形状勾配関数Ｇは、図４に示す各要素Ｅの境界面上に分布する法線方向を向いたベクトル関数である。ここで、式に現れる変数の値は、Ｓ２の強度解析の解析結果から得られるものであり、ｆは物体力、ｅは弾性テンソル、ｕは変位、ΛはＬａｇｒａｎｇｅ定数である。
【００３５】
そして、図３のＳ４において、収束判定を行う。収束判定は、感度解析を実行して得られた感度が十分小さいか否かで判断される。感度が十分小さいと判断した場合には（Ｓ４：ＹＥＳ）、処理を終了する。一方、感度が十分小さくないと判断した場合には（Ｓ４：ＮＯ）、Ｓ５へ進み、形状変更における制約条件が入力されているか否かを判断する。制約条件が入力されていると判断した場合（Ｓ５：ＹＥＳ）には、そのままＳ７へ進む。
【００３６】
一方、制約条件が入力されていないと判断した場合（Ｓ５：ＮＯ）には、Ｓ６において、制約条件として形状の変更を許さない点、移動方向の制約、体積（三次元の問題）又は面積（二次元の問題）を入出力装置３２から入力して記憶装置３３に記憶させてから、Ｓ７へ進む。そして、Ｓ７において、初期形状の鉄道車両用構体の形状を変更したら、Ｓ３以降の処理を再度繰り返す。
【００３７】
こうした鉄道車両用構体の形状を最適化するプログラムは、以下のように動作する。
コンピュータ３０の入出力装置３２に初期形状解析モデルを入力する（図３のＳ１）。具体的には、例えば、図４に示すように、初期形状の鉄道車両用構体全体を有限な要素Ｅに分割し、各要素Ｅの節点●に座標データを付け、例えば、４個の節点●（ｉ〜ｌ）を一組にする旨の有限要素法の要素情報を入力する。また、例えば、構体厚Ａの初期値を５０ｍｍに設定し、鉄道車両用構体の材料特性としてアルミニウム合金のヤング率とポアソン比を入力する。また、例えば、強度解析などを行う際に利用される境界条件として拘束条件と荷重条件を入力する。拘束条件としては、台枠側梁に相当する側構体の固定部を固定すること、及び、鉄道車両用構体の構体幅方向の中心線に対称条件を加えることを入力する。ここで、対称条件を加えるのは、演算量を減らして、演算時間を短縮するためである。また、荷重条件としては、気密荷重を想定して外向きに等分布荷重を与えることを入力する。
【００３８】
そして、初期形状解析モデルのアルミニウム合金のヤング率・ポアソン比などに基づいて強度解析を行ったら、初期形状解析モデルと強度解析結果とに基づいて形状勾配関数Ｇを求める（図３のＳ２、Ｓ３）。収束判定において感度が十分に小さくない場合、すなわち、形状勾配関数Ｇが急激な勾配を有する場合には、制約条件が入力されているか否かを判断し、制約条件が入力されていない場合には、制約条件を入力してから形状を変更する（図３のＳ４：ＮＯ、Ｓ５：ＮＯ、Ｓ６、Ｓ７）。
【００３９】
具体的には、収束判定において感度が十分に小さくなっておらず、制約条件が入力されていない場合には、例えば、中空形材５の外側面板６（図１０参照）から４０ｍｍの厚さに位置する節点●の移動を許さないこと、各要素Ｅの節点（図４参照）をｘ方向のみに（一次元的に）移動させること、外側面板６と内側面板７で囲まれる面積を初期形状と同一にすることなどといった制約条件を入力する（図３のＳ４：ＮＯ、Ｓ５：ＮＯ、Ｓ６）。ここで、中空形材５の外側面板６（図１０参照）から４０ｍｍの厚さを固定するのは、構体各部において最低限の剛性及び強度を確保するために、構体厚Ａが４０ｍｍ以下になることを回避するためである。また、各要素Ｅの節点（図４参照）をｘ方向のみに（一次元的に）移動させるのは、各要素Ｅを構体断面方向に伸縮させるためである。
【００４０】
そして、入力した制約条件と形状勾配関数Ｇの演算結果に基づいて初期形状の鉄道車両用構体の形状を変更する（図３のＳ７）。具体的には、例えば、形状勾配関数Ｇが局部的に大きい場合は、その形状勾配関数Ｇが大きい部分について、側構体及び屋根構体の外側から４０ｍｍの節点●を移動させないことや、節点●の移動方向をｘ方向に限定することなどの制約条件に基づいて、側構体及び屋根構体の内側から１０ｍｍ以内の部分における要素Ｅの節点●を内向きに移動させ、要素Ｅの大きさを大きくする。また、外側面板６と内側面板７との間の面積が一定である制約条件があるので、形状勾配関数Ｇが小さい部分について、側構体及び屋根構体の内側から１０ｍｍ以内の部分における要素Ｅの節点●を外向きに移動させ、要素Ｅの大きさを小さくする。こうして移動させた節点●の座標データを書き換える。これにより、節点●が内側に移動したところでは構体厚Ａが厚くなり、節点●が外側に移動したところでは構体厚Ａが薄くなるため、鉄道車両用構体の形状が変更される。鉄道車両用構体の形状を変更したら、Ｓ３以降の処理を再度繰り返す。これら一連の処理は、収束判定において感度が十分小さいと判断されるまで自動的に行われる。
【００４１】
そして、収束判定において感度がこれ以上小さくならないと判断された場合、すなわち、形状勾配関数Ｇの値が前回計算より小さくならない場合には、処理を終了し（図３のＳ４：ＹＥＳ）、図１に示すように最適化された鉄道車両用構体１０を入出力装置３２に出力する。
【００４２】
図１の鉄道車両用構体１０は、側構体２と屋根構体３の構体厚Ａが構体各部で変化している。側構体２と屋根構体３が結合する部分（以下、「構体肩部」という。）１４の構体厚Ｗ１は、側構体２を台枠４に固定するための固定部２ａを除いて、構体のうちで最も厚く形成されている。そして、側構体２では、中央付近の構体厚Ｗ４が薄く形成されている。また、屋根構体３では、構体幅方向の中心位置３ａにおける構体厚Ｗ２が厚く形成され、構体中心部３ａと構体肩部１４との間の構体厚Ｗ３が薄く形成されている。
【００４３】
そして、発明者は、車体外形線Ｍの異なる数種類の鉄道車両用構体について上記プログラムを実行して形状を最適化したところ、車両デザインすなわち車体外形線Ｍに基づいて車体内形線Ｎ１を決定することにより鉄道車両用構体の形状を最適化できることを確認した。
【００４４】
鉄道車両用構体１０は、最大幅位置を通る垂直線と、最大高さ位置を通る水平線によって構成される門型の領域内に曲線を用いて車体外形線Ｍを決定し、側構体２と屋根構体３を配置している。構体肩部１４は、一般的に曲率が大きくなるため、断面方向に曲げようとする大きな力を受け、応力値が大きくなる。従って、車体外形線Ｍに基づいて、屋根構体３の中心位置３ａから水平方向に第１直線Ｌ１を描き、構体最大幅位置から垂直方向に第２直線Ｌ２を描くことによって門型を形成し、第１直線Ｌ１と第２直線Ｌ２とが交差する第３点Ｐ３に相当する位置を車体外形線Ｍ上に何らかの方法で投影することができれば、鉄道車両用構体１０の中で最も応力値が高くなるおおよその部位を求めることができる。
【００４５】
かかる観点より、第１直線Ｌ１と第２直線Ｌ２とが公差する第３点Ｐ３は、車体外形線Ｍのうち構体肩部１４を形成する曲線の中心点である第４点Ｐ４と第５直線Ｌ５で結ばれ、第５直線Ｌ５が車体外形線Ｍと公差する点である第６点Ｐ６が求められる。この第６点Ｐ６は、第３点Ｐ３が車体外形線Ｍ上に投影されたものと考えられるため、鉄道車両構体１０は、固定部２ａを除いて、第６点が位置する部位の構体厚Ｗ１を構体のうちで最も厚くすればよいことになる。
【００４６】
そして、第６点Ｐ６が位置する部位の構体厚Ｗ１を最も厚くするためには、第５直線Ｌ５上に規定した第７点Ｐ７を中心点とする半径ｒ２の曲線で構体肩部１４の車体内形線Ｎ１を形成することが、必要十分である。
半径ｒ２は、構体肩部１４における車体外形線Ｍの半径ｒ１を１．１倍した値から８０ｍｍを差し引くことにより、簡単に決定することができる。ここで、関係式の係数を１．１としたのは、構体肩部１４の構体厚分布を最適なものとするためである。すなわち、係数を１．１より大きくすると、最大構体厚Ｗ１となる部位以外の構体肩部１４の構体厚Ａが不足し、剛性不足になる一方、係数を１．１より小さくすると、最大構体厚Ｗ１となる部位の剛性が、最大構体厚Ｗ１となる部位以外の構体肩部１４と比べて剛性不足となるからである。また、関係式の８０ｍｍは、構体厚Ａを調整するための調整項であり、調整項を８０ｍｍにした理由は、上記関係式の係数選択における理由と全く同じである。すなわち、調整項を８０ｍｍより大きくすると、最大構体厚Ｗ１となる部位以外の構体肩部１４の構体厚Ａが不足し、剛性不足になる一方、調整項を８０ｍｍより小さくすると、最大構体厚Ｗ１となる部位の剛性が、最大構体厚Ｗ１となる部位以外の構体肩部１４と比べて剛性不足となるからである。
【００４７】
第７点Ｐ７は、構体厚Ｗ１が側構体２と屋根構体３の構体厚Ａ全体を平均した平均構体厚の１．５〜１．６倍になるように半径ｒ２の曲線を描くべく、第５直線Ｌ５上に規定される。ここで、構体厚Ｗ１を平均構体厚の１．５〜１．６倍にしたのは、平均構体厚の１．５倍未満にすると、構体の剛性が不足する一方、平均構体厚の１．６倍より大きくすると、剛性が過剰になるとともに客室空間を不必要に狭めることになるからである。
【００４８】
本実施の形態では、構体肩部１４の車体外形線Ｍに係る半径ｒ１は４００ｍｍであり、これを半径ｒ２を算出する関係式（半径ｒ２（ｍｍ）＝半径ｒ１（ｍｍ）×１．１倍−８０（ｍｍ））にあてはめると、半径ｒ２は３６０ｍｍになる。本実施の形態の平均構体厚は５２．８ｍｍであるから、構体肩部１４の構体厚Ｗ１が平均構体厚の１．５〜１．６倍すなわち７９．２０〜８４．４８ｍｍになるように第７点Ｐ７を第５直線Ｌ５上に規定し、半径ｒ２（３６０ｍｍ）の曲線を描いて構体肩部１４の形状を決定する。本実施の形態では、構体肩部１４の構体厚Ｗ１が平均構体厚の１．５４倍である８１．０５ｍｍになるように第７点Ｐ７を規定している。
【００４９】
また、側構体２は、鉄道車両用構体１０の最大幅位置を含む範囲Ｒ２で構体厚Ｗ４を薄くする。すなわち、側構体２の下端部から構体厚Ｗ１が位置する構体肩部１４までの距離に対して下端部からおおよそ７分の３〜７分の５の範囲Ｒ２における構体厚Ｗ４を構体のうちで最も薄くする。当該部位を薄くできるのは、気密荷重によって側構体２を変形させようとする力と、屋根構体３が変形しようとする時に側構体２に伝えられる力とが互いに逆向きであるために打ち消し合うことになるためであると推定される。
本実施の形態では、構体厚Ｗ４が４０ｍｍになるように、最大幅位置を含む一定の範囲Ｒ２における車体内形線Ｎ１を形成している。
【００５０】
一方、屋根構体３は、中心位置３ａの構体厚Ｗ２を厚く、中心位置３ａと構体厚Ｗ１が位置する構体肩部１４との間の構体厚Ｗ３を薄くする。すなわち、屋根構体３は、中心位置３ａの構体厚Ｗ２が平均構体厚の１．１〜１．２倍になるように中心位置３ａの車体内形線Ｎ１を形成する。このように構体厚Ｗ２を平均構体厚の１．１〜１．２倍にするのは、平均構体厚の１．１倍未満にすると、構体の剛性が不足する一方、平均構体厚の１．２倍より大きくすると、剛性が過剰になるとともに客室空間を不必要に狭めることになるからである。
本実施の形態では、平均構体厚が５２．８ｍｍであるから、屋根構体３の中心位置３ａの構体厚Ｗ２を５８．０〜６３．３ｍｍにすることが望ましい。よって、本実施の形態では、屋根構体３の中心位置３ａの構体厚Ｗ２が平均構体厚の１．１６倍である６１ｍｍになるように、中心位置３ａの車体内形線Ｎ１を決定している。
【００５１】
また、屋根構体３は、構体厚Ｗ２が位置する中心位置３ａから構体厚Ｗ１が位置する構体肩部１４までの距離に対して中心位置３ａからおおよそ３分の１〜２分の１の範囲Ｒ１における構体厚Ｗ３を構体のうちで最も薄くする。このように構体厚Ｗ３を設ける位置に一定の範囲Ｒ１を設けるのは、屋根構体３の中心位置３ａで発生する曲げモーメントと構体肩部１４で発生する曲げモーメントの方向が逆向きであり、屋根構体３のうち曲げモーメントがゼロとなる位置を中心として構体厚Ｗ３を配置するのであるが、この位置は、車体外形線Ｍによって変動するためである。当該位置の構体厚Ｗ３を最も薄くするのは、前述の通り、曲げモーメントがゼロ又は非常に小さいために曲げ剛性を大きくする必要がないからである。
本実施の形態では、構体厚Ｗ２が位置する中心位置３ａから構体厚Ｗ１が位置する構体肩部１４までの距離に対して屋根構体３の中心位置３ａから２分の１程度の部位３ｂにおける構体厚Ｗ３が４０ｍｍになるように、屋根構体３の部位３ｂにおける車体内形線Ｎ１を決定している。
【００５２】
こうして、側構体２と屋根構体３において構体厚Ａを厚くする部位と薄くする部位とを決定したら、隣り合う部位同士をなめらかに結んで鉄道車両用構体１０全体の車体内形線Ｎ１を形成する。これにより、鉄道車両用構体の形状を短時間で最適化することが可能になる。
【００５３】
続いて、鉄道車両用構体１０の作用について説明する。
鉄道車両用構体１０は、例えば、トンネルに突入したときに、トンネル内の空気圧と鉄道車両用構体１０の客室空間内の気圧との間に生じる差圧により、構体断面方向の力と構体長手方向を回転軸とする曲げモーメントとによる応力が構体各部に発生する。特に、側構体２と屋根構体３とが連結する構体肩部１４と、屋根構体３の中心位置３ａでは、応力が大きくなりやすい。
【００５４】
鉄道車両用構体１０は、構体肩部１４の構体厚Ｗ１を側構体２の固定部２ａを除いた構体のうちで最も厚くすることにより構体の剛性と強度を高めており、これによって、屋根構体３と側構体２の変形を抑えることができる。また、屋根構体３は、例えば、気密荷重を受けた時に、構体幅方向の中心位置３ａが大きく上下方向に変形しようとするが、構体幅方向の中心位置３ａにおいて構体厚Ｗ２を平均構体厚より厚くして屋根構体３の剛性と強度を高めているので、屋根構体３の中心位置３ａにおける変形が抑えられる。また、結果として、その他の屋根構体３の変形量も抑えることができる。
【００５５】
こうした鉄道車両用構体１０は、構体各部に発生する応力の大きさに対応して構体厚Ａが分布しているため、応力分布を従来のものより均一なものに近づけることが可能であり、変形も滑らかである。
【００５６】
上記構成と作用を有する図１に示す鉄道車両用構体１０の形状を図１１に示す鉄道車両用構体１００の形状と比較すると、以下の共通点と相違点が認められる。
図１の鉄道車両用構体１０と図１１の鉄道車両用構体１００とは、車体外形線Ｍが同一で、構体肩部１４，１１４の構体厚Ｗ１，Ｗ５を厚くしている点で共通する。
【００５７】
しかし、図１の鉄道車両用構体１０と図１１の鉄道車両用構体１００とは、形状の決定方法が本質的に相違している。すなわち、図１１の鉄道車両用構体１００は、一様の構体厚Ａで形成された側構体１０２と屋根構体１０３とをフィレットを生成する形で構体肩部１１４の車体内形線Ｎ２を形成している。そのため、構体肩部１１４の車体内形線Ｎ２は、曲線で形成されているものの、曲線の中心点である第８点Ｐ８が、構体の最大高さ位置から水平に描いた第１直線Ｌ１と、構体の最大幅位置から垂直に描いた第２直線Ｌ２とが公差する第３点Ｐ３を、車体外形線Ｍのうち構体肩部１１４を形成する曲線の中心点である第４点Ｐ４と結ぶ第５直線Ｌ５上に位置していない。よって、図１１の鉄道車両用構体１００は、形状の決定方法の相違により、図１の鉄道車両用構体１０と形状が僅かに異なっている。
【００５８】
こうした形状の僅かな相違は、図１の鉄道車両用構体１０と図１１の鉄道車両用構体１００の変位や応力に大きな影響を及ぼしている。図５は、従来の鉄道車両用構体１００の変位図である。図６は、最適化された鉄道車両用構体１０の変位図である。
この変位に係る解析では、鉄道車両用構体１０，１００に対して外向きに０．００１ｋＰａの等分布荷重を与えている。
【００５９】
この解析の結果、図１１の鉄道車両用構体１００と図１の鉄道車両用構体１０は、図５及び図６に示すように外向きに膨らむように変形するが、最大変位量が異なる。図１１の鉄道車両用構体１００は、図５に示すように、屋根構体１０３の中心位置１０３ａにおける最大変位量が約２．１４ｍｍであるのに対して、図１の鉄道車両用構体１０は、図６に示すように、屋根構体３の中心位置３ａの変位量が約１．４８ｍｍであり、図１の鉄道車両用構体１０の最大変位量が図１１の鉄道車両用構体１００の最大変位量の約７０％程度である。これは、図１に示す鉄道車両用構体１０は、構体厚Ａを構体各部で変化させたことにより、構体肩部１４と屋根構体３の中心位置３ａの変形を図１１の鉄道車両用構体１００より効率的に抑えることができることを示している。
【００６０】
また、図７は、従来の鉄道車両用構体１００の側構体１０２と屋根構体１０３の最大応力を示す応力図であり、図８は、最適化された鉄道車両用構体１０の側構体２と屋根構体３の最大応力を示す応力図である。
この応力に係る解析では、鉄道車両用構体１０，１００の外側に０．００１ｋＰａの等分布荷重を与えている。
【００６１】
この解析の結果、図１１の鉄道車両用構体１００は、図７に示すように、構体各部で発生する応力値がまだらである。そして、屋根構体１０３の中心位置１０３ａと、構体肩部１１４の構体厚Ｗ５が位置する部位から側構体１０２側にずれた部位では、車体内形線Ｎ２と車体外形線Ｍ付近において応力が大きくなっており、特に、構体厚Ｗ５が位置する部位から側構体１０２側にずれた部位の車体内形線Ｎ２付近Ｚ１では、最大応力値８１．６３４ＭＰａを示している。
【００６２】
それに対して、図１の鉄道車両用構体１０では、図８に示すように、構体内部で発生する応力値が構体各部でより均一に近くなっている。そして、屋根構体３の中心位置３ａと構体肩部１４では、車体外形線Ｍと車体内形線Ｎ１付近において応力が大きくなっており、特に、構体肩部１４の構体厚Ｗ１が位置する部位の車体内形線Ｎ１付近Ｚ２では、最大応力値４５．９６２ＭＰａを示している。
【００６３】
よって、図１に示す鉄道車両用構体１０は、最大応力が発生する部位Ｚ２と構体厚Ｗ１が位置する部位とが一致する一方、図１１の鉄道車両用構体１００は、最大応力が発生する部位Ｚ１と構体厚Ｗ５が位置する部位とがずれている。また、図１に示す鉄道車両用構体１０の最大応力値は、図１１に示す鉄道車両用構体１００の最大応力値の約５５％程度に減少している。これは、図１に示す鉄道車両用構体１０において構体厚Ｗ１を設けた部位と構体肩部１４の形状が、図１１鉄道車両用構体１００より適切であることを示している。
また、図１の鉄道車両用構体１０は、側構体２の一定の範囲Ｒ２における構体厚Ｗ４と屋根構体３の部位３ｂにおける構体厚Ｗ３が、図１１の鉄道車両用構体１００の側構体１０２と屋根構体１０３の構体厚Ａより薄いにもかかわらず、図１１の鉄道車両用構体１００と同程度の応力を維持している。これは、図１の鉄道車両用構体１０は、応力が小さい部位の構体厚Ｗ３，Ｗ４を薄くしたことにより側構体２と屋根構体３をしなやかに変形させ、構体各部に応力を分散させていることを示している。
【００６４】
以上詳細に説明したように、本実施の形態の鉄道車両用構体１０によれば、外側面板６と内側面板７とを中板８で連結した中空形材５を複数接続して側構体２と屋根構体３とを別々に製作して、台枠４上に立設した側構体２の上に屋根構体３を載せて結合し、あるいは、側構体２と屋根構体３とを一体として製作し、台枠４に載せて結合したものであって（図９及び図１０参照）、車体外形線Ｍを一定とし、内側面板７の断面法線方向位置を構体各部で発生する応力に基づいて変化させ、応力が大きい位置では構体厚Ａを厚く、応力が小さい位置では構体厚Ａを薄くしているので、（図１参照）、構体の軽量化と高剛性化とを同時に実現することができる。
【００６５】
また、本実施の形態の鉄道車両用構体１０によれば、モーメントによる応力が大きくなる構体肩部１４と屋根構体３の中心位置３ａとを平均構体厚より厚くしたので（図１参照）、側構体２と屋根構体３の変形を抑えるとともに、構体全体においても変形量を小さくすることができる。
【００６６】
また、本実施の形態の鉄道車両用構体１０によれば、構体肩部１４は側構体２と屋根構体３とを側構体２および屋根構体３を構成する曲線よりも曲率の大きい曲線で結合したものであって、側構体２が台枠４に固定される固定部２ａを除いて、側構体２と屋根構体３の中で構体厚Ａを最も厚くする部位を有し、構体厚Ａを最も厚くする部位は、屋根構体３の中心位置３ａから水平方向に第１直線Ｌ１を描き、側構体２の最大幅位置から垂直方向に第２直線Ｌ２を描き、第１直線Ｌ１と第２直線Ｌ２とが交差する点を第３点Ｐ３として規定し、外側面板６によって形成される車体外形線Ｍのうち構体肩部１４を形成する曲線の中心点を第４点Ｐ４として規定し、第３点Ｐ３と第４点Ｐ４とを結んで第５直線Ｌ５を描き、第５直線Ｌ５が車体外形線Ｍと交差する点を第６点Ｐ６として規定したときに、その第６点Ｐ６が位置する部位であるので（図１参照）、側構体２の固定部２ａを除いて構体厚Ａを最も厚くする部位を車体外形線Ｍから簡単に求めることができる。
そして、構体肩部１４を形成する車体内形線Ｎ１は、第５直線Ｌ５上に第７点Ｐ７を設け、車体外形線Ｍの半径ｒ１に基づいて決定される半径ｒ２の曲線であるので（図１参照）、構体肩部１４の形状を簡単に決定することができる。
【００６７】
また、本実施の形態の鉄道車両用構体１０によれば、構体肩部１４の構体厚Ｗ１を平均構体厚の１．５〜１．６倍の厚さにするとともに（図１参照）、屋根構体３の中央位置における構体厚Ｗ２を平均構体厚の１．１〜１．２倍の厚さにすることで（図１参照）、構体の剛性を適正なものとしている。
【００６８】
また、本実施の形態の鉄道車両用構体１０によれば、屋根構体３の中心位置３ａと構体肩部１４との間に構体断面の中で構体厚Ｗ３が最も薄い部位３ｂを設けたので（図１参照）、軽量化とともに、客室空間を僅かでも広くすることにも貢献できる。
【００６９】
さらに、本実施の形態の鉄道車両用構体１０によれば、構体肩部１４の構体厚Ｗ１が位置する部位、屋根構体３の中心位置３ａと構体肩部１４との間に設けた構体厚Ｗ３が位置する部位３ｂ、屋根構体３の中心位置３ａなどをなめらかに結んで車体内形線Ｎ１を形成しているので（図１参照）、構体各部に応力を分散させて（図８参照）、図１１に示す従来の鉄道車両用構体１００より構体全体の変位量を小さくすることができる（図６参照）。
【００７０】
なお、本発明は、実施形態のものに限定されるわけではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能であることはいうまでもない。
【００７１】
【発明の効果】
従って、本発明の鉄道車両用構体は、外側面板と内側面板とを中板で連結した中空形材を複数接続して側構体と屋根構体とを別々に製作して、台枠上に立設した側構体の上に屋根構体を載せて結合し、あるいは、側構体と屋根構体とを一体として製作し、台枠に載せて結合したものにおいて、外側面板の断面方向位置により決定される車体外形線を一定とし、内側面板の断面方向位置を構体各部で発生する応力に基づいて変化させ、外側面板と内側面板とで形成される構体断面方向の厚さを応力の大きい部位では厚く、応力の小さい部位では薄くしているので、構体の軽量化と高剛性化とを同時に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】発明の実施の形態において、鉄道車両用構体の側構体と屋根構体の断面図である。
【図２】同じく、鉄道車両用構体の形状を最適化する際に使用されるコンピュータのブロック図である。
【図３】同じく、鉄道車両用構体の形状を最適化するプログラムのフローチャートである。
【図４】同じく、鉄道車両用構体の一部を有限要素に分割した概念図である。
【図５】同じく、従来の鉄道車両用構体の側構体と屋根構体の変位図である。
【図６】同じく、最適化された鉄道車両用構体の側構体と屋根構体の変位図である。
【図７】同じく、従来の鉄道車両用構体の側構体と屋根構体の最大応力を示す応力図である。
【図８】同じく、最適化された鉄道車両用構体の側構体と屋根構体の最大応力を示す応力図である。
【図９】鉄道車両用構体の外観斜視図である。
【図１０】中空形材の拡大断面図である。
【図１１】同じく、従来の鉄道車両用構体の側構体と屋根構体の断面図である。
【符号の説明】
２　側構体
２ａ　固定部
３　屋根構体
３ａ　中心位置
３ｂ　部位
４　台枠
５　中空形材
６　外側面板
７　内側面板
８　中板
１０　鉄道車両用構体
１４　構体肩部
Ａ　　構体厚
Ｗ１　構体厚
Ｗ２　構体厚
Ｗ３　構体厚
Ｗ４　構体厚
Ｍ　　車体外形線
Ｎ１　車体内形線
【図１】
2004090850.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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