車輪/レールの転がり接触解析

車輪/レール間の接触面で生じる衝撃荷重の影響を評価可能な大規模並列計算ツールを開発します。

1.はじめに

鉄道において、車輪~レール間に生じる諸現象(コンタクトメカニクス)の解明は、車両・軌道・材料など、様々な分野に応用できる境界領域研究の一つです。計算力学研究室では、東京大学奥田洋司教授との共同研究において、大規模並列計算に対応した有限要素解析プログラムを用い、高速走行時に車輪/レール間で生じる力学現象の評価に取り組んでいます。さらに、これらの結果をもとに車輪~レール間の現象解明に取り組むとともに、車両や軌道に与える影響を調べ、車両~軌道~構造物の相互作用を考慮した最適な鉄道システムを提案・構築することを目指しています。

2.解析手法の特長

解析に用いるツールは大規模並列計算に対応した有限要素法プログラム「FrontISTR」をベースとし、鉄道車輪の転動現象が再現可能となるよう機能を拡充したものです。本ツールは、車輪を速度ゼロから時速300km超の高速域まで有限長の短いレールを用いて加速するためのレールモデルの工夫(キャタピラメッシュ機能)や、有限長のレールで計算を行う際に、車輪とレールの接触部で発生し、レール内を伝播する弾性波のレール端部での反射を低減するための工夫を行うとともに、車輪が所定の速度に達した後で、軌道や構造物を自由に付加して計算を行うための機能を有しています。これにより、軌道条件の違いによる接触面での力学現象の変化や、レールに種々の不整(波状摩耗や継目など)が存在する場合の影響を捉えることが可能です。

3.解析事例

図1に示すような1車輪と車軸の1/2を有する車輪・レールモデルによる車輪/レールの動的接触解析を行い、車輪にトルク相当荷重を付加して時速300km超まで加速し、高速走行時の瞬間のダイナミクス(車輪とレールの接触面[コンタクトパッチ]で生じる接触力やすべり・固着など)を詳細に捉えます(動画1)。また、2つの車輪が結合されたモデルにおいても同様に検討を行い、複数車輪走行時の接触現象の解明にも取り組んでいます(図2~図4)。

図1 車輪~レールモデル(1軸1輪)
図2 車輪~レールモデル(2軸2輪)
図3 全体のミーゼス相当応力分布
図4 前後車輪の法線方向接触力の合計値の時刻歴
動画1 車輪走行のシミュレーション
(全体の鉛直方向垂直応力分布、接触面の応力分布および法線方向接触力の合計値の時刻歴)

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参考文献

  1. 林雅江、坂井宏隆、高垣昌和、相川明、殷峻、橋本学、奥田洋司:大規模並列有限要素解析による車輪・レール間の動的接触挙動の検証、第20回計算工学講演会論文集、Vol.20、2015
  2. H. Sakai, M. Takagaki, M. Hayashi, A. Aikawa, H. Okuda and J. Yin:“Dynamic Rolling Contact Analysis between Wheel/Rail by Large-Scale Parallel FEM”, Railways 2014, 2014
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