※本ブログは、SIMULIA Blog （英語版）で先に公開されたブログの日本語参考訳です。
SIMULIA Simpackによる高度シミュレーションで鉄道安全を最適化
例えば、列車が分岐器を通過する状況や横風の影響など、実環境の条件をシミュレーションで再現できるとしたらどうでしょうか。
Dassault SystèmesのSIMULIA Simpackは、バーチャルツイン技術とデータ駆動型シミュレーションを活用し、エンジニアがマルチボディシミュレーション（MBS）解析を実施できるようにします。これにより、脱線防止、車輪とレールの摩耗解析、乗り心地評価、臨界速度解析などを行うことが可能です。
このシミュレーションベースのアプローチにより、実機に適用する前に重要な運用課題へ対応し、鉄道貨物の安全性と信頼性を向上させることができます。Simpackのモデルは、車輪とレールの接触、サスペンション、台車構造、線路の変形などを組み込んだ、鉄道車両全体を再現しています。
Simpack Railにより、鉄道事業者は以下を実現できます：
• 鉄道車両ダイナミクスを解析し、非線形挙動を予測
• サスペンションや車輪・レール相互作用を最適化し、安全性向上と保守コスト削減
• 極限条件をシミュレーションして重大事故を未然に防止
列車シミュレーションはどのように機能するのか？
2050年までに鉄道貨物輸送は1日あたり13,800本に達すると予測されており、事業者は競争の中で持続可能な運用を迫られています。
高度な最先端のシミュレーション技術は、将来にわたる安全で信頼性の高い効率的な鉄道運行を実現するために、リアルタイムの洞察を提供します。現在の鉄道運行がいかにして将来のニーズにこたえていくのか、またシミュレーションを活用した試験による高精度ソリューションについては、当社のホワイトペーパー: https://discover.3ds.com/business-services-virtual-twins-for-rail-simulationをご参照ください。
SIMULIA Simpackが鉄道貨物の安全性に貢献する5つの方法
- 曲線通過解析による脱線防止
列車が様々な速度でカーブを通過する際の脱線リスク低減は、安全性にとって非常に重要です。主な原因としては、過大な横力、荷重バランスの不均衡、軌道不整などがあります。特にサスペンションが硬すぎる貨車は、凹凸のある軌道や急カーブで脱線の危険性が高くなります。
Simpackでは、システムの質量特性、サスペンション特性、車輪・レール形状、軌道形状などを入力として、曲線通過解析を実施できます。設計実験法（DOE）を用いて曲線を走行する様々な車両構成を評価することが出来ます。このような解析により、現実的な条件での脱線シナリオを再現できるようになります。
また、Simpackにより脱線係数や車輪浮き上がり量を計算し、どの速度で脱線が発生するかを特定できます。これにより、エンジニアは車両設計と運行速度の最適化が可能となり、脱線リスクを低減できます。さらに、脱線リスクに寄与する要因を特定することで、設計やメンテナンス戦略を強化でき、EN 14363などの規格にも対応できます。
- 車輪とレールの相互作用および摩耗解析
車輪の摩耗は保守コストと安全性に直接影響します。
Simpackを使用することで、さまざまな車輪・レール形状や車両条件を考慮して摩耗を推定し、耐用年数を延ばし、保守コストを削減できる最適な設計が可能になります。また、様々な荷重条件下での摩耗の進行も評価できます。
解析ツールによって車輪の局所的な激しい摩耗が判明した場合は、車輪とレールの相互作用を見直し、最適化する必要があることを示しています。
- 構造疲労寿命の評価
鉄道車両の部品は繰り返し荷重を受けるため、時間とともに疲労破壊が発生します。
Simpackは疲労解析ツールと連携し、寿命損傷解析や応力蓄積の評価、連結器や台車部品の残存寿命予測を可能にします。
シミュレーションにより故障しやすい箇所を特定し、材料選定や応力分散の改善につなげることができます。また、応力解析データにもとづく予知保全により、故障が発生する前の対策が可能となり、それによって鉄道の安全性と長期的な信頼性が向上します。シミュレーションモデル内での応力を仮想的に追従することにより、予期せぬ故障やメンテナンスによる稼働停止時間を削減できます。
- ブレーキシステムの最適化
緊急ブレーキは、障害物や信号トラブルへの対応において、貨物列車にとって極めて重要な安全対策です。しかし、長大編成の貨物列車では質量と慣性の影響により、緊急ブレーキ挙動は非常に複雑で、これが連結器の故障や制動距離の延長に繋がる可能性があります。
Simpackを使用することで、車輪・レール相互作用、制動力配分、編成構成などを考慮した、下り坂での速度制御や緊急ブレーキを詳細にシミュレーションすることが可能になります。
優れた制動性能は、安全性と運行効率の両方にとって極めて重要です。
また、ディスクブレーキや回生ブレーキなど異なる制動システムを比較することで、制動距離や車輪損傷を最小化する最適な制動戦略を導き出すことも可能です。
マルチボディシミュレーションでは、制動力を時間依存の入力として、あるいはアンチロック・ブレーキ・システム（ABS）などの制御モデルの出力として組み込み、安全性と効率性を評価します。
シナリオモデルは、車両に掛かる動的制動力の分布を予測することができ、連結器に加わる過大な圧縮力を防ぐとともに、最適な編成構成を決定するのに役立ちます。
- バーチャル認証（Virtual Certification）
従来、鉄道車両は認証取得のために大規模な実機試験が必要でした。
SimpackのようなMBSツールを活用したバーチャル認証では、試験の多くを仮想環境で行うことが可能になり、このプロセスに革新をもたらします。このアプローチにより、コストを削減し、認証取得を迅速化するとともに、設計の早い段階でエンジニアが潜在的な問題に対処できるようになります。
EN 14363やEN 15839といった規格に準拠することで、バーチャル認証はコンプライアンスを確保しつつ、認証プロセスを効率化します。
そのため、安全性と性能を向上させるために現在の鉄道貨物輸送において不可欠なツールとなっています。
SIMULIA Simpackが鉄道事業者にもたらす価値
Simpackによる鉄道貨物車両ダイナミクスシミュレーションは、脱線リスクの低減、緊急ブレーキ性能の最適化、および安全速度の確保などを通じて、鉄道システム全体の性能を最適化します。
これらの高度なワークフローにより、安全性・信頼性・効率性が向上し、より強靭な鉄道ネットワークの実現につながります。
こうしたダイナミクスシミュレーションは、実機での試験回数を減らすだけでなく、予知保全を可能にすることで運用コストをさらに削減し、修理費やダウンタイムの大幅削減も実現できます。
これらはバーチャル認証と組み合わせることで、鉄道安全に対する「先回り型」の対策となり、規制遵守を確保しながらコストを抑え、運用パフォーマンスの向上が実現します。
詳しい情報については、以下のURLからご確認いただけます（英語）
- Rail Vehicle Dynamics Video on YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=nspPdHT0F4I - Transportation & Mobility, Trains webpage
https://www.3ds.com/industries/transportation-mobility/trains - Rail Simulation: Efficient Freight Operations Unveiled
https://www.3ds.com/industries/business-services/rail-freight-simulation - Rail Vehicle Dynamics Simulation
https://www.3ds.com/products/simulia/multibody-system-dynamics-motion-simulation/rail-vehicle
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3Dソフトウェア市場におけるパイオニアであり、3DとPLMソリューションのワールド・リーダーであるDassault Systèmes（仏）の日本法人です。