基于擬人仿真試驗(yàn)的列車事故乘員損傷預(yù)測(cè)方法及應(yīng)用

張樂(lè)樂(lè)，佟 鑫，衛(wèi) 亮

(北京交通大學(xué) 機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京 100044)

列車碰撞事故發(fā)生時(shí)，乘員與隨同車體減速的列車內(nèi)部設(shè)施發(fā)生碰撞，會(huì)對(duì)乘員造成嚴(yán)重的損傷。事故統(tǒng)計(jì)表明，由列車一次碰撞引發(fā)乘員與車輛內(nèi)部結(jié)構(gòu)或其他乘員的二次碰撞是造成乘員損傷的主要原因之一。目前，對(duì)軌道列車碰撞事故中乘員損傷的研究方法主要有：事故調(diào)查法，即在列車發(fā)生碰撞事故后，記錄和分析由于碰撞事故導(dǎo)致的乘員損傷情況，對(duì)現(xiàn)有列車內(nèi)部結(jié)構(gòu)的被動(dòng)安全性能進(jìn)行評(píng)估[1]，該方法受限于樣本的收集情況；實(shí)車碰撞試驗(yàn)方法，即在規(guī)定的場(chǎng)景下直接使用兩節(jié)或若干節(jié)列車進(jìn)行碰撞，在車廂相應(yīng)位置設(shè)置假人模型并使用高速攝影儀和傳感器記錄假人碰撞響應(yīng)和相關(guān)數(shù)據(jù)[2]，此方法目前能夠最大程度模擬真實(shí)的碰撞場(chǎng)景，但試驗(yàn)成本高、周期長(zhǎng)；擬人測(cè)試與仿真方法，即在實(shí)驗(yàn)室條件下實(shí)現(xiàn)以物理假人為基礎(chǔ)的實(shí)測(cè)與數(shù)值仿真相結(jié)合，通過(guò)假人物理參數(shù)的響應(yīng)評(píng)估預(yù)測(cè)乘員損傷，進(jìn)一步研究載運(yùn)工具內(nèi)部設(shè)施、局部結(jié)構(gòu)等的被動(dòng)安全性能。

David TYELL等人[3]通過(guò)對(duì)比測(cè)試證明座椅結(jié)構(gòu)的優(yōu)化能夠有效提高乘員在列車碰撞事故中的幸存性。劉金朝等人[4]對(duì)安置假人模型的25B型客車的單車碰撞工況進(jìn)行仿真，表明有限元方法可以有效預(yù)測(cè)乘員的二次碰撞傷害。王文斌等人[5]使用多剛體動(dòng)力學(xué)假人針對(duì)我國(guó)25K型列車的座椅布置方案進(jìn)行優(yōu)化。單其雨等人[6]分析高速列車司機(jī)室的被動(dòng)安全性能，得出應(yīng)該增加防護(hù)裝置的結(jié)論。陳秉智等人[7]使用數(shù)值仿真的方法，以CRH3型動(dòng)車為載體討論坐姿假人二次碰撞傷害情況。謝素超等人[8]以二次碰撞安全為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)列車座椅間距進(jìn)行優(yōu)化。以上研究側(cè)重于座椅與乘員或者乘員與乘員的二次碰撞安全。施青松等人[9]采用車體—客室—假人耦合模擬臥鋪乘員二次碰撞，以硬臥車廂為研究對(duì)象，忽略了車廂中乘員與乘員之間的碰撞問(wèn)題及可能的損傷。

各國(guó)在軌道列車被動(dòng)安全標(biāo)準(zhǔn)方面的大量研究取得了相關(guān)結(jié)論和成果。美國(guó)公共運(yùn)輸協(xié)會(huì)制定的“APTA-PR-CS-S-016-99,Rev.2”在使用與事故統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上提出軌道列車座椅的二次碰撞評(píng)估模型的建立方法。英國(guó)列車運(yùn)營(yíng)公司協(xié)會(huì)針對(duì)車輛內(nèi)部設(shè)施的安全性以及如何利用內(nèi)部結(jié)構(gòu)減少乘員在碰撞事故中的傷亡提出“AV/ST 9001”。“GM/RT 2100 Iss5”由英國(guó)鐵道安全與標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)修訂，規(guī)定乘員與設(shè)備、乘員與乘員之間的二次碰撞的損傷等級(jí)及相應(yīng)的限定值。

本文針對(duì)碰撞事故中臥鋪列車乘員損傷分析和預(yù)測(cè)問(wèn)題，提煉25T型臥鋪列車內(nèi)部結(jié)構(gòu)布置特點(diǎn)，建立以假人模型為基礎(chǔ)的典型碰撞場(chǎng)景模型，校驗(yàn)材料模型、邊界條件、評(píng)估參數(shù)等，在LS-DYNA環(huán)境下實(shí)現(xiàn)事故過(guò)程的碰撞仿真。通過(guò)分析假人的碰撞響應(yīng)及力學(xué)參數(shù)變化，評(píng)估預(yù)測(cè)乘員損傷，以提高事故幸存率為目的，為臥鋪車廂內(nèi)部設(shè)施的耐撞性優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論支撐。

1 碰撞場(chǎng)景的選擇和模型建立

近10年發(fā)生的幾次事故表明：雖然臥鋪車廂通常位于列車編組的中后端，在事故中一次碰撞的幾率較低，但由于臥鋪車廂的被動(dòng)安全防護(hù)弱于硬座車廂，乘員二次碰撞損傷和內(nèi)部設(shè)施優(yōu)化問(wèn)題依然不容忽視。

25T型列車的硬臥與軟臥車廂均采用單元式布局，如圖1所示的一個(gè)臥鋪單元結(jié)構(gòu)。車廂主要尺寸見(jiàn)表1。

圖1 25T型臥鋪車廂內(nèi)部布置結(jié)構(gòu)圖(單位：mm)

車廂單元乘員數(shù)量/人鋪位寬度/mm下鋪高度/mm備注硬臥6573370圖1(a)軟臥4700430圖1(b)

1.1 碰撞場(chǎng)景描述

臥鋪單元具有重復(fù)性和獨(dú)立性的特點(diǎn)，同時(shí)考慮乘員在臥鋪車廂中的主要狀態(tài)，建立4個(gè)典型碰撞場(chǎng)景，如圖2所示，圖中圓圈里的數(shù)字為假人的編號(hào)。碰撞場(chǎng)景模型信息見(jiàn)表2。

圖2 臥鋪車廂單元的碰撞場(chǎng)景

場(chǎng)景車廂單元假人數(shù)量/個(gè)假人姿態(tài)附加結(jié)構(gòu)備注場(chǎng)景1硬臥4坐姿餐桌圖2(a)場(chǎng)景2硬臥6臥姿護(hù)欄圖2(b)場(chǎng)景3軟臥4坐姿餐桌圖2(c)場(chǎng)景4軟臥4臥姿護(hù)欄圖2(d)

1.2 有限元模型

碰撞場(chǎng)景模型采用全積分殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。硬臥車廂有限元模型(不含假人)共計(jì)94 290個(gè)節(jié)點(diǎn)，94 060個(gè)單元。軟臥車廂有限元模型(不含假人)共計(jì)235 523個(gè)節(jié)點(diǎn)，235 838個(gè)單元。

人體與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的接觸剛度使用圖3中的試驗(yàn)值[10]。

采用美國(guó)公共交通協(xié)會(huì)(APTA)制定的《軌道客車乘客座椅行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》(APTA SS-C&S-016-99)[11]作為依據(jù)，此標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定軌道客車內(nèi)部結(jié)構(gòu)耐撞性評(píng)估的載荷曲線，如圖4所示的三角形沖擊波，沖擊加速度在125 ms時(shí)達(dá)到最大值8g，250 ms時(shí)減到0g。

采用LSTC公司的Hybrid Ⅲ 50th臥姿和坐姿剛性體假人模型，假人有限元模型由殼單元、體單元、梁?jiǎn)卧椈蓡卧唾|(zhì)量單元組成，單元數(shù)量見(jiàn)表3。

圖3 餐桌、床的接觸剛度

圖4 標(biāo)準(zhǔn)載荷曲線

假人殼單元體單元梁?jiǎn)卧獜椈蓡卧|(zhì)量單元坐姿1 6382 6483832臥姿1 6062 6443832

2 乘員損傷判據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

相關(guān)事故傷亡統(tǒng)計(jì)表明[1]，在列車碰撞事故中大部分重傷乘員的受傷部位為顱腦、胸部和四肢。為了評(píng)估乘員在事故中不同部位的碰撞傷害，引入汽車乘員碰撞的損傷標(biāo)準(zhǔn)[12]建立損傷參數(shù)，分別用于評(píng)估人體的顱腦、胸脊部以及腿部的傷害。

頭部損傷評(píng)估指標(biāo)HIC(Head Injury Criterion)的定義為

(1)

式中：a(t)是頭部質(zhì)心點(diǎn)處的合成加速度；t1和t2是碰撞過(guò)程中間隔不大于36 ms的兩個(gè)任意時(shí)間點(diǎn)。

依據(jù)美國(guó)汽車醫(yī)學(xué)協(xié)會(huì)(American Association for Automotive Medicine)制定的簡(jiǎn)明損傷定級(jí)(Abbreviated Injury Scale，AIS)衡量乘員損傷情況。HIC36值與AIS損傷等級(jí)對(duì)比關(guān)系見(jiàn)表4。

表4 頭部HIC36與AIS等級(jí)對(duì)比關(guān)系

胸部損傷評(píng)估指標(biāo)TC3 ms(Thoracic Cumulative 3 ms Injury Criterion)的定義為胸部重心處持續(xù)受到不短于3 ms時(shí)長(zhǎng)的沖擊加速度的最大值。TC3 ms與AIS損傷等級(jí)對(duì)比關(guān)系見(jiàn)表5。

表5 胸部TC3 ms值與AIS等級(jí)對(duì)比關(guān)系

腿部損傷評(píng)估指標(biāo)脛骨指數(shù)TI(Tibia Index)和脛骨壓縮力FZ，脛骨指數(shù)TI的定義為

(2)

根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)脛骨指數(shù)TI>1.3、脛骨壓縮力FZ>8 kN，即說(shuō)明腿部會(huì)受骨折、脫臼等傷害。

3 假人碰撞姿態(tài)響應(yīng)

3.1 坐姿假人響應(yīng)

圖5(a)中1號(hào)假人在標(biāo)準(zhǔn)載荷的作用下從鋪位被拋出，在102 ms胸部與餐桌發(fā)生碰撞且在反彈站起的過(guò)程中在314 ms與中鋪床棱發(fā)生碰撞。4號(hào)假人在整個(gè)碰撞過(guò)程中響應(yīng)幅度相對(duì)較小，僅在98 ms與側(cè)墻發(fā)生碰撞。

圖5(b)中2號(hào)假人在173 ms腿部與下鋪床棱發(fā)生碰撞導(dǎo)致頭部前傾，在406 ms頭部與3號(hào)乘員的胸部發(fā)生碰撞。2號(hào)假人在回彈的過(guò)程中頭部在478和708 ms與中鋪床棱發(fā)生兩次碰撞。

軟臥車廂中的12號(hào)假人在105 ms與餐桌發(fā)生碰撞，13號(hào)假人在104 ms與側(cè)墻發(fā)生碰撞，11號(hào)假人在503 ms與14號(hào)假人發(fā)生碰撞，如圖5(c)和(d)所示。

圖5 坐姿假人的碰撞響應(yīng)

3.2 臥姿假人響應(yīng)

硬臥車廂的中鋪6號(hào)、9號(hào)假人分別與上鋪5號(hào)、10號(hào)假人的姿態(tài)響應(yīng)一致，假人在標(biāo)準(zhǔn)載荷的作用下與鋪位發(fā)生相對(duì)位移，手臂首先與護(hù)欄或側(cè)墻接觸，頭部和腿部將繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，如圖6(a)所示。由于下鋪沒(méi)有護(hù)欄限制假人的橫向運(yùn)動(dòng)，7號(hào)假人從原始位置被拋出后頭部直接與餐桌發(fā)生碰撞，且7號(hào)假人下肢與8號(hào)假人發(fā)生碰撞，如圖6(b)所示。

軟臥車廂的臥姿假人的碰撞響應(yīng)與硬臥臥姿假人基本相似，如圖7所示。軟臥車廂的15號(hào)假人在與護(hù)欄發(fā)生碰撞后從上鋪翻滾跌落下來(lái)，在588 ms砸落在16號(hào)假人的身體上。

相同假人布置的碰撞場(chǎng)景由于硬、軟臥車廂的內(nèi)部結(jié)構(gòu)差異將導(dǎo)致假人產(chǎn)生不同程度的響應(yīng)。軟臥車廂中的11號(hào)和12號(hào)假人在與14號(hào)假人或餐桌發(fā)生碰撞后在反彈站起過(guò)程中并不會(huì)與上鋪床棱發(fā)生碰撞，是由于軟臥車廂的上、下鋪高度差比硬臥中、下鋪的高度差多115 mm。由于軟臥鋪位比硬臥寬127 mm造成假人與鋪位的相對(duì)運(yùn)動(dòng)距離較大，導(dǎo)致15號(hào)假人在與護(hù)欄發(fā)生碰撞后從上鋪翻滾跌落下來(lái)。

圖6 硬臥臥姿假人的碰撞響應(yīng)

圖7 軟臥臥姿假人的碰撞響應(yīng)

4 乘員損傷預(yù)測(cè)與分析

4.1 頭部加速度與損傷

在列車碰撞事故發(fā)生時(shí)車體受到突然的減速度作用，而車廂中的乘員與隨同車體減速的列車內(nèi)部結(jié)構(gòu)或車廂中其他乘員發(fā)生碰撞，將會(huì)對(duì)乘員造成嚴(yán)重的損傷。坐姿1號(hào)假人在314 ms與中鋪床棱的碰撞，頭部加速度峰值達(dá)到342g。2號(hào)假人在478和708 ms與中鋪床棱發(fā)生兩次碰撞，頭部加速度峰值分別達(dá)到324g和193g。背對(duì)車輛前進(jìn)方向的乘員由于側(cè)墻的阻擋，頭部加速度將遠(yuǎn)小于面對(duì)車輛前進(jìn)方向的乘員。坐姿假人的頭部加速度如圖8所示。

臥姿7號(hào)和16號(hào)假人頭部分別在168和172 ms直接同餐桌發(fā)生碰撞，頭部加速度峰值分別達(dá)到295g和266g。臥姿假人的頭部加速度如圖9所示。

圖8 坐姿假人頭部碰撞加速度

如表6所示，假人的HIC36值在157～2 382之間。臥姿假人的HIC36相對(duì)較小，但與餐桌直接發(fā)生碰撞的7號(hào)與16號(hào)假人的HIC36達(dá)到2 144和1 910，頭部發(fā)生嚴(yán)重骨折，導(dǎo)致乘員死亡或無(wú)法搶救，其余臥姿假人HIC36值為157至186之間，頭部?jī)H僅受到輕微傷害，出現(xiàn)頭痛、眩暈等癥狀。背對(duì)前進(jìn)方向的坐姿假人的身體與側(cè)墻發(fā)生碰撞，HIC36值較小為510至589之間，可能出現(xiàn)暫時(shí)性的意識(shí)喪失等癥狀。面對(duì)前進(jìn)方向的坐姿假人在被拋出座位與餐桌、對(duì)面假人或中鋪床棱發(fā)生碰撞，HIC36位于1 624至2 382之間，可能造成長(zhǎng)時(shí)間意識(shí)喪失或腦血腫、大動(dòng)脈破裂等致命性傷害。

圖9 臥姿假人頭部碰撞加速度

表6 不同姿態(tài)假人的HIC36與TC3 ms

4.2 胸部加速度與損傷

假人身體各部位與車廂內(nèi)部設(shè)施發(fā)生碰撞后加速度均可能傳遞到胸部，導(dǎo)致胸部加速度曲線一般呈現(xiàn)多個(gè)峰值。坐姿乘員胸部最大的威脅是與餐桌發(fā)生的直接碰撞，1號(hào)和12號(hào)假人胸部與餐桌發(fā)生碰撞，胸部加速度峰值達(dá)到64g。坐姿假人的胸部加速度如圖10所示。

假人胸部加速度最大峰值出現(xiàn)在上鋪15號(hào)假人砸落到下鋪16號(hào)假人時(shí)，15號(hào)假人胸部加速度在588 ms出現(xiàn)153g的峰值，可能導(dǎo)致上鋪乘員死亡或無(wú)法搶救。臥姿假人的胸部加速度如圖11所示。

圖10 坐姿假人胸部碰撞加速度

圖11 臥姿假人胸部碰撞加速度

如表6所示,假人的TC3ms值在12～153之間。臥姿假人的TC3 ms相對(duì)較小，與餐桌直接發(fā)生碰撞的1號(hào)假人達(dá)到64g，胸部發(fā)生肋骨骨折但無(wú)呼吸困難。軟臥車廂中的15號(hào)假人在588 ms從上鋪跌落與16號(hào)假人發(fā)生碰撞，導(dǎo)致15號(hào)和16號(hào)假人的TC3 ms分別達(dá)到153g和78g，可能造成致命性損傷。其他假人的TC3 ms位于12g至58g之間，受到中低程度的損傷。

4.3 腿部受力與損傷

使用公式(2)計(jì)算得到上述場(chǎng)景中假人的脛骨指數(shù)TI和脛骨壓縮力FZ，見(jiàn)表7。假人腿部的嚴(yán)重?fù)p傷發(fā)生在坐姿假人腿部與對(duì)面下鋪床棱碰撞時(shí)，2號(hào)和11號(hào)假人的脛骨指數(shù)TI值分別達(dá)到4.32和2.31，脛骨壓縮力FZ分別達(dá)到46.54和34.44 kN。12號(hào)假人脛骨壓縮力FZ達(dá)到8.78 kN。2號(hào)、11號(hào)和12號(hào)假人的腿部會(huì)發(fā)生骨折。其他假人脛骨指數(shù)TI和脛骨壓縮力FZ均小于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)許可值，說(shuō)明在碰撞過(guò)程中其他位置乘員的腿部相對(duì)安全，不會(huì)發(fā)生骨折和脫臼。

表7 不同姿態(tài)假人的TI和FZ值

5 結(jié) 論

基于仿真分析結(jié)果，硬臥車廂中的坐姿乘員的頭部與中鋪床棱發(fā)生兩次碰撞，其頭部HIC36為2 382，可能造成致命傷害；下鋪臥姿乘員頭部直接和餐桌發(fā)生碰撞，其頭部HIC36為2 144，可能產(chǎn)生致命傷害；軟臥車廂的上鋪乘員在與護(hù)欄碰撞后，砸落在下鋪乘員身上，其胸部TC3 ms為153g，可能產(chǎn)生致命傷害。

為避免下鋪臥姿乘員頭部與餐桌發(fā)生碰撞接觸，可在下鋪增加限制臥姿乘員橫向位移裝置，例如護(hù)欄。臥鋪車廂在無(wú)法增加被動(dòng)安全裝置的條件下，可以考慮改進(jìn)與乘員接觸結(jié)構(gòu)的形狀和材料以降低乘員損傷的可能性，如將餐桌設(shè)計(jì)為吸能材料的蜂窩結(jié)構(gòu)，可以滿足承載和碰撞條件下主動(dòng)變形的雙重要求。

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