28. 車輪・レール・バラスト間の大規模連成解析モデルの構築

  • 車輪・レール間の塑性変形を含めた転がり接触解析モデルを構築しました。
  • 軌道の動的応答と沈下挙動を評価する弾性体個別要素法モデルを構築しました。

バラスト軌道の劣化現象解明のためには、車輪・レール間の接触力やバラスト層内部の動的挙動を十分な精度で評価する必要があります。

そこで、車輪・レール間の塑性変形も扱うことができる転がり接触解析モデルを、大規模並列有限要素法構造解析プログラム(FrontISTR)をもとに構築し、2軸2輪の車輪モデルを用いて、走行時の車輪・レール間の接触力分布を得ました(図1)。

また、弾性体個別要素法(QDEM)プログラムを開発し、個々のバラストの詳細形状を再現したバラスト軌道モデルを構築しました。本モデルに対して、転がり接触解析モデルで得られた衝撃荷重を入力とする弱連成解析を実施することで、列車通過時のバラスト軌道の弾性振動やバラストの回転・移動に伴う軌道の沈下解析が可能となりました(図2、図3)。さらに、バラスト間およびまくらぎ下面の接触箇所にばねを取り付けたバラスト軌道モデルを、FrontISTRをもとに構築し、過渡応答解析によりバラストの流動や沈下に影響のあるバラスト層の振動モードを再現しました(図4)。

今後、これらの解析モデルをレールシェリング、波状摩耗、あるいはバラスト軌道劣化などの発生メカニズムの解明や、各種対策工の評価等に活用していく予定です。

図1 弾塑性を考慮した動的接触解析
図2 走行荷重入力による応力分布
図3 バラストの鉛直変位時刻歴応答
図4 接触ばねを用いたバラスト軌道の有限要素解析による変位応答
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