JP5677815B2 - 鉄道車両の衝突エネルギー吸収体 - Google Patents
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Description
エネルギー吸収性能を上げるためには、上下寸法の大きなエネルギー吸収部材を設けることも考えられるが、単にエネルギー吸収部材の上下寸法を大きくしても、上下オフセット衝突時にエネルギー吸収部材に上下方向に偏った荷重が掛かることにより、エネルギー吸収部材が傾斜変形しえるため、安定したエネルギー吸収が行えない。また、上下寸法の大きなエネルギー吸収部材によれば、衝突時の初期荷重が大きくなることで車体に伝達される衝撃が大きくなるため、車体を強固にする必要が生じ、車体重量が増大してしまう。
そのような上下オフセット衝突時には、一方の衝突エネルギー吸収体10Aは、主吸収部11と下側副吸収部13との間の破断予定部40で破断されながら主吸収部11及び上側副吸収部12が圧壊しうる。そうすると、この衝突現象において圧壊する一方の衝突エネルギー吸収体10Aの高さ方向の中心は、力学的に見れば、下側副吸収部13を除いた主吸収部11及び上側副吸収部12の両者を合わせた部分の高さ方向の中心P2とみなすことができる。即ち、上下オフセット衝突時において衝突エネルギー吸収体10Aの圧壊する部分の力学的な高さ方向中心P2は、衝突エネルギー吸収体10A全体の高さ方向の中心P1に比べて、上側に位置することとなる。
次に、有限要素法を用いたコンピュータシミュレーションによる上下オフセット衝突の解析結果について図8乃至15を参照して説明する(実施例1,2及び比較例1,2)。
実施例1及び2は、図2乃至7に示した形状の衝突エネルギー吸収体10をメッシュ化した有限要素モデルを解析モデルとして用いた。比較例1及び2は、実施例1,2と外形は同じだが破断予定部が存在しないものを解析モデルとして用いた。実施例1,2及び比較例1,2の各物性値は表1に示す材質のものとした(SMA570はSS400よりも引張強さが大きく強度が高い。)。また、実施例1,2及び比較例1,2では、一方の衝突エネルギー吸収体と他方の衝突エネルギー吸収体とを互いに上下方向にオフセットさせた。その際の上下オフセット量は、一方の衝突エネルギー吸収体の上面が他方の衝突エネルギー吸収体の上側の破断予定部30と略同一高さとなるように設定した。また、実施例1,2及び比較例1,2では、図8,10,12,14中の左側にある衝突エネルギー吸収体の左端を拘束し、同図中の右側にある衝突エネルギー吸収体を同図中の左側に向けて強制変位させて互いに衝突させた。なお、この衝突解析の解析ソルバーには、LS-DYNA Ver.971(Livermore Software Technology Corporation)を用いた。
図8(a)〜(e)は実施例1において有限要素解析により衝突エネルギー吸収体110A,110B同士を上下オフセット衝突させたときの変形挙動を示す側面図である。図9は図8の衝突時における反力の変位量に応じた変化を示すグラフである。図8に示すように、実施例1の上下オフセット衝突中には、変位量dが大きくなるにつれて、右側の衝突エネルギー吸収体110Aの上側副吸収部12が破断予定部30で破断し、左側の衝突エネルギー吸収体110Bの下側副吸収部13が破断予定部40で破断した。また、衝突エネルギー吸収体110A,110Bは、衝突中にピッチ方向に傾斜することなく変形した。図9に示すように、衝突中における前後方向(X方向)の反力は、衝突初期では2000kN以上となり、その後に変位量dが増加していく際には1500kNの前後で大きく変動することなく推移した。衝突中における車幅方向(Y方向)の反力及び上下方向(Z方向)の反力は、あまり発生しなかった。
図10(a)〜(e)は実施例2において有限要素解析により衝突エネルギー吸収体210A,210B同士を上下オフセット衝突させたときの変形挙動を示す側面図である。図11は図10の衝突時における反力の変位量に応じた変化を示すグラフである。図10に示すように、実施例2では、衝突初期において、右側の衝突エネルギー吸収体210Aの上側副吸収部12の先端側が破断予定部30で破断し、左側の衝突エネルギー吸収体210Bの下側副吸収部13の先端側が破断予定部40で破断した。但し、その後に変位量が増加していく際には、先端側が破断した副吸収部12,13は湾曲して衝突に巻き込まれながら圧壊した。また、衝突エネルギー吸収体210A,210Bは、衝突中にピッチ方向に傾斜することなく変形した。図11に示すように、衝突中における前後方向(X方向)の反力は、衝突初期では1500kN程となり、その後に変位量dが増加していく際には1000kNの前後で大きく変動することなく推移した。衝突中における車幅方向(Y方向)の反力はあまり発生せず、また、衝突中における上下方向(Z方向)の反力は200kNほどをピークに全体的に小さい値となった。
図12(a)〜(e)は比較例1において有限要素解析により衝突エネルギー吸収体310A,310B同士を上下オフセット衝突させたときの変形挙動を示す側面図である。図13は図12の衝突時における反力の変位量に応じた変化を示すグラフである。図12に示すように、比較例1では、衝突エネルギー吸収体310A,310Bは、衝突中にピッチ方向に傾斜して変形した。図13に示すように、衝突中における前後方向(X方向)の反力は、衝突初期では2500kN程となり、その後に変位量dが増加していく際には約500〜2000kNの間で大きく変動しながら推移した。衝突中における車幅方向(Y方向)の反力はあまり発生しなかったが、衝突中における上下方向(Z方向)の反力は450kNほどになる時もあった。
図14(a)〜(e)は比較例2において有限要素解析により衝突エネルギー吸収体410A,410B同士を上下オフセット衝突させたときの変形挙動を示す側面図である。図15は図14の衝突時における反力の変位量に応じた変化を示すグラフである。図14に示すように、比較例2では、衝突エネルギー吸収体410A,410Bは、衝突中にピッチ方向に傾斜しなかったが、上下に急激に***する膨出部E1,E2を形成するように変形した。図15に示すように、衝突中における前後方向(X方向)の反力は、衝突初期では1400kN程となり、その後に変位量dが増加していく際には約300〜1200kNの間で大きく変動しながら推移した。衝突中における車幅方向(Y方向)の反力及び上下方向(Z方向)の反力は、あまり発生しなかった。
以上に説明した解析結果から分かるように、比較例1,2のうち強度の高い材料を用いた比較例1では衝突中にピッチ方向に傾斜変形したが、実施例1,2では両者ともピッチ変形することなく、衝突エネルギーが安定して吸収された。また、傾斜変形した比較例1では、衝突中に上下方向(Z方向)の反力が生じていたが、実施例1,2では、衝突中における上下方向(Z方向)の反力が比較例1よりも小さく、互いに衝突したエネルギー吸収体同士の乗り上がりがより好適に防止された。また、比較例1,2では、衝突中の前後方向の反力が大きく変動したが、実施例1,2では、衝突中の前後方向の反力の変動は小さく衝突エネルギーが安定して吸収された。
2 車体
10 衝突エネルギー吸収体
11 主吸収部
11c 上壁部
11d 下壁部
12 上側副吸収部
13 下側副吸収部
30,40 破断予定部
A 連結部
B 非連結部
Claims (8)
- 鉄道車両の車体の前部に設けられ、前方からの荷重で圧壊して衝突エネルギーを吸収する衝突エネルギー吸収体であって、
前後方向に延びる主吸収部と、
前記主吸収部の上側に設けられた上側副吸収部と、
前記主吸収部の下側に設けられた下側副吸収部と、を備え、
前記上側副吸収部は、前後方向に延びる上側破断予定部を介して前記主吸収部と一体に設けられ、
前記下側副吸収部は、前後方向に延びる下側破断予定部を介して前記主吸収部と一体に設けられ、
前記主吸収部は、前後方向に延びる筒状部を有し、
前記上側副吸収部は、前方から見て逆凹形状の断面を有し、前記下側副吸収部は、前方から見て凹形状の断面を有し、
前記上側副吸収部は、前記筒状部の上壁部との間で空間を形成するように前記筒状部に連結され、
前記下側副吸収部は、前記筒状部の下壁部との間で空間を形成するように前記筒状部に連結され、
前記上側副吸収部及び前記下側副吸収部の各々の上下方向の高さは、前記主吸収部の上下方向の高さよりも小さい、鉄道車両の衝突エネルギー吸収体。 - 鉄道車両の車体の前部に設けられ、前方からの荷重で圧壊して衝突エネルギーを吸収する衝突エネルギー吸収体であって、
前後方向に延びる主吸収部と、
前記主吸収部の上側に設けられた上側副吸収部と、
前記主吸収部の下側に設けられた下側副吸収部と、を備え、
前記上側副吸収部は、前後方向に延びる上側破断予定部を介して前記主吸収部と一体に設けられ、
前記下側副吸収部は、前後方向に延びる下側破断予定部を介して前記主吸収部と一体に設けられ、
前記上側副吸収部及び前記下側副吸収部の前端部は、前記主吸収部に対して非連結状態で設けられている、鉄道車両の衝突エネルギー吸収体。 - 前記主吸収部は、前後方向に延びる筒状部を有し、
前記上側副吸収部は、前方から見て逆凹形状の断面を有し、前記下側副吸収部は、前方から見て凹形状の断面を有し、
前記上側副吸収部は、前記筒状部の上壁部との間で空間を形成するように前記筒状部に連結され、
前記下側副吸収部は、前記筒状部の下壁部との間で空間を形成するように前記筒状部に連結され、
前記上側副吸収部及び前記下側副吸収部の各々の上下方向の高さは、前記主吸収部の上下方向の高さよりも小さい、請求項2に記載の鉄道車両の衝突エネルギー吸収体。 - 前記上側破断予定部及び前記下側破断予定部は、前記上側副吸収部及び前記下側副吸収部を前記主吸収部に対してそれぞれ部分的に連結する連結部を前後方向に互いに間隔を開けて複数配置することで形成されている、請求項1乃至3のいずれかに記載の鉄道車両の衝突エネルギー吸収体。
- 前記上側破断予定部及び前記下側破断予定部は、前記上側副吸収部及び前記下側副吸収部のうち前記主吸収部に対向する左右の端部をそれぞれ前記主吸収部に対して、前後方向に互いに間隔を開けて複数箇所を固定することで形成されている、請求項1乃至4のいずれかに記載の鉄道車両の衝突エネルギー吸収体。
- 前記上側副吸収部及び前記下側副吸収部の前端部の前後方向位置は、前記主吸収部の前端部の前後方向位置と略同一である、請求項1乃至5のいずれかに記載の鉄道車両の衝突エネルギー吸収体。
- 前記衝突エネルギー吸収体の上壁部及び下壁部は略水平に形成され、かつ、前記上側破断予定部及び前記下側破断予定部は略水平に形成されている、請求項1乃至6のいずれかに記載の鉄道車両の衝突エネルギー吸収体。
- 前記上側副吸収部及び前記下側副吸収部の各々の上下方向の高さは、前記主吸収部の上下方向の高さの0.1〜0.3倍である、請求項1乃至7のいずれかに記載の鉄道車両の衝突エネルギー吸収体。
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