スパコンを知る集いin
スパコンを知る集い
in 富山 （2015. 12.19 @ 富山国際会議場）

鉄道の技術開発を支えるシミュレーション技術～より早くより安全に～（公財）鉄道総合技術研究所
池田 充
1
Railway Technical Research Institute

公益財団法人 鉄道総合技術研究所
東京都国分寺市光町(1966
東京都国分寺市光町(1966年に改名）
年に改名）

1907年 鉄道庁 鉄道調査所
1942年 鉄道院 鉄道技術研究所（東京・浜松町）
鉄道技術研究所（東京 浜松町）
1949年 日本国有鉄道 鉄道技術研究所
1959年 現所在地（東京都国分寺市）に移転
1986年 財団法人 鉄道総合技術研究所 設立
1987年 旧国鉄より事業を継承
2012年 公益財団法人に移行
Railway Technical Research Institute21東海道新幹線 開業当時（～1964年）
1957年 鉄道技研 創立50周年講演会「超特急列車 東京～大阪3時間への可能性」を開催
鉄道技研 [Bendix G15-D]を導入
1958年 東海道本線（東京～大阪）特急こだま号
運転開始：最高速度110km/h
1959年 東海道新幹線 着工
1960年 オンライン列車座席予約システム [MARS-1] 稼働開始
「有限要素法」という名称が初めて論文に登場
1962年 鴨宮モデル線 使用開始
鉄道技研 [Bendix G-20]を導入
1964年 東海道新幹線 開業

Railway Technical Research Institute3

東海道新幹線試作車両の強度評価
吉峯法（構体の静解析法） 側構体をはしご状ラーメン構造でモデル化

新幹線試作構体の静荷重試験※ 230点のひずみを計測

動的応力は現車試験で確認

Railway Technical Research Institute42現在の鉄道車両の強度評価
シミュレーションの活用
・開発の効率化（製作前の評価）
・開発コストの低減
・設計支援
１車両モデルによる応力解析

形状最適化

Mises相当応力
最適化前
最適化後

構造変更
車両側面

車両屋根内側5

Railway Technical Research Institute

鉄道に関わるシミュレーションの例

列車走行シミュレーション

分野

駅構内の旅客流動シミュレーション

シミュレーション例

車両

車両走行、地震時車両脱線挙動

軌道

軌道座屈、バラスト挙動

構造物

車両と構造物の動的相互作用、構造物の地震時応答

電力

架線・パンタグラフ系の動的挙動、き電回路

信号通信 連動、電波雑音
運転

列車運行、旅客流動環境

列車まわり流れ、トンネル微気圧波、空力音

人間科学 列車衝突時の人体挙動

6

Railway Technical Research Institute3車輪・レールに発生する様々な問題

レール波状摩耗

車輪・レールの摩耗・損傷

コンタクトパッチ
10㎜(Yシャツのボタン程度）

乗り上がり脱線
車輪空転

レール継目落ち 7
Railway Technical Research Institute

転がる車輪とレールとの間の接触力評価
東大 奥田教授との共同研究
大規模並列FEM構造解析ソフトウェア「FrontISTR」（東大）をベースとして，車輪・レール間転がり接触解析ツールを構築

接触部(一様ファインメッシュ）• 車軸にトルクを与え、車輪の動的転がり挙動を計算• キャタピラメッシュにより長区間走行の計算を実現
Railway Technical Research Institute84転がる車輪とレールとの間の接触力評価
車輪の転動により生じるミーゼス相当応力分布

車輪/レール間の接線方向接触力分布

接線方向位置 (mm)コンタクトパッチ内の摩擦、スピン、すべり、塑性を考慮したうえで，応力分布を評価することができる
9

Railway Technical Research Institute

列車通過時のバラスト軌道の挙動解析
移動バラスト(砕石)が時間とともに沈下するメカニズムの解明
荷重⇒レールと車輪との間の力がどのようにバラストに伝播するのか？

自由落下によるバラスト散布
弾性体個別要素法(QDEM)
・個々のバラストの挙動を再現
・バラスト自体の弾性挙動も再現(海洋研究開発機構との共同研究)(a) Ballast(b) DEM

10

Railway Technical Research Institute5

列車通過時のバラスト軌道の挙動解析
まくらぎ4本分バラスト
列車通過時の個々のバラスト軌道の動的変位挙動をシミュレーションにより再現

バラスト鉛直変変位(実験は可能だが， 計測が困難）

0

右レール直下10cm-0.5-1.0

つき固め直後のバラスト初期沈下-1.5-2.0

シミュレーショによる動的締固め

-2.5
0

0.6

1.2

1.8

2.4

3.0

時間 s

11

Railway Technical Research Institute

列車通過時のまくらぎの詳細な挙動解析
弾性体個別要素法(QDEM) → 有限要素法(各バラストの要素数 10倍)

衝撃荷重（左右合計100kN）

まくらぎ変位

まくらぎの鉛直変位

鉛直変位 (m)

100806040200-20-40400

衝撃荷重を受けたまくらぎの過渡応答

102030
時間 (ms)4050

・まくらぎの上下並進モードの運動がバラスト劣化の主要因
・まくらぎが跳ね上がるため、バラストによるエネルギー散逸が小さい
12

Railway Technical Research Institute6

車両に作用する空気力の解析

室戸台風(1934年)

風速計の設置と風規制
防風柵の整備

風洞試験

模型車両走行試験
平均圧力場

渦構造

シミュレーションの利点 ・地表面上風速分布・地表の地形などを自由に設定可
Railway Technical Research Institute13

営業最高速度 (km/hh)「新幹線」はどこまで早く走れるのか？
日本

400

フランス

新幹線： 線路脇に多数の宅地
新幹線⇒ 沿線騒音の増加抑止

350
300
250
200
150

世界
日本

1005001960

1970

1980

1990

2000

2010

2020

構造物音

西暦 (年)

集電系音
上部
空力音

音源寄与

転動音
2004年
新潟中越地震
(国交省HPより）

下部
空力音

日本は地震多発国⇒ 地震対策Railway Technical Research Institute147パンタグラフの風切り音(空力音)の評価
パンタグラフまわりの流れ場解析
渦構造(速度勾配テンソル第2不変量)

格子数7億点

格子数100億点(鉄道総研スパコン）(京コンピュータ)空力音源分布(2.3ｋHz帯)

風洞試験

計算
×102 1/(m・s2)

5.0

‐5.0

シミュレーションによる音源部位の特定
Railway Technical Research Institute15

パンタグラフの空力音低減
形状平滑化

流れの干渉の緩和

パンタグラフ集電舟とその支持部の形状最適化
改良舟体＋改良舟支え
流れ

流れ

現用舟体＋現用舟支え

流れ

最適化舟体＋現用舟支え

改良舟体＋改良舟支え・シミュレーションにより空力現象を容易に理解・シミュレーションによる形状最適化

16

Railway Technical Research Institute8鉄道沿線の地震動シミュレーション
1995年兵庫県南部地震 (阪神淡路大震災)

被害率に基づく推定震度分布との比較(山陽新幹線）
計測震度度765

被害調査を基にした推定震度
シミュレーション結果

405

10

距離 (km)損傷
レベル2

損傷
レベル416

曲げ破壊

せん断破壊

Railway Technical Research Institute

列車走行位置に応じた地震時被害の評価
列車位置による自動メッシュ

疑似境界

有限要素区間1
疑似境界

Core

疑似境界

有限要素区間2CoreCore

疑似境界

CoreCore

脱 線被害 発 生確
確率

マルチコアで並列処理した解析結果を自動合成して統計処理
被害発 生確率海 溝 型 L 2ス ペク ト ル I

1.0
0.9
08
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
0 1
2 34 56789 1011 1213 14
15 16

0.9 ‐1.0
0.8 ‐0.9
0.7 ‐0.8
0.6 ‐0.7
0.5 ‐0.6
0.4 ‐0.5
0.3 ‐0.40.2 ‐0.3
0.1 ‐0.2
0.0 ‐0.1

基盤面
入力加速度
PBA（gal）

4.42
2.21

距離程（km）

1718019

Railway Technical Research Institute

9

鉄道に求められる技術
急激な人口減少

巨大災害の切迫インフラの老朽化
基盤技術+• 劣化のセンシング、健全度評価、検査の自動化

シミュレーション

エネルギーの制約
エネルギの制約• 早期地震検知、地震解析、耐震技術、脱線防止• 気象のセンシングと予測• ハザードマップ、リスク分析、避難誘導• 蓄電装置、スマートグリッド、ピークカット• 自然エネルギー利用、クリーン動力の開発

・今後の社会環境変化に応じて鉄道システムにも変化が求められる・シミュレーションの活用により，こうした技術開発を加速
Railway Technical Research Institute

19

鉄道技術の革新を目指して
鉄道シミュレータ

空気流/空力音

架線/パンタグラフ

列車運行

車両運動
駆動システム

電力供給

地震災害
車輪/レール
転がり接触

バラスト軌道

革新的アイデアの創成ツールとして鉄道シミュレータを構築中
・不確定な仮定による制約からの解放： 大規模計算（空間，時間）・マルチフィジックス・マルチスケール：
複数シミュレーションの連成⇒ さらなる計算能力の向上が不可欠・・・・今後のスパコンの能力向上に期待
20

Railway Technical Research Institute10