電梯不同沖頂速度下的乘客頭部損傷仿真分析

黃海洋，張潤良

（蘇州市職業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院（電梯學(xué)院），江蘇 蘇州 215104）

電梯沖頂是較嚴(yán)重的一類電梯事故，近年來，國內(nèi)也發(fā)生了多起沖頂事故，均造成了乘客不同程度的損傷，而頭部受撞擊是造成乘客重傷的直接原因。隨著電梯運行速度的不斷提升，電梯沖頂時的速度也存在增大的風(fēng)險，沖頂對乘客所造成的傷害也會隨之增加。由于電梯沖頂具有極強的破壞性，在現(xiàn)實中不利于進行試驗驗證，而通過模擬仿真的形式進行研究，具有成本與效率方面的優(yōu)勢，對于研究電梯沖頂具有較強的參考意義。目前，關(guān)于撞擊與乘客損傷方面的仿真研究主要集中在汽車安全領(lǐng)域，在電梯領(lǐng)域內(nèi)的相關(guān)研究還較少，因此，本文利用LS-DYNA軟件模擬仿真了電梯不同沖頂速度下的乘客運動狀態(tài)，以及乘客頭部所受的最大應(yīng)力，并研究了橡膠防護層對乘客頭部的防護作用及效果。

1 沖頂模型的建立

電梯沖頂時轎廂以一定的速度撞擊到井道頂部，乘客在慣性力的的作用下沖向轎廂頂部，因此，電梯沖頂涉及的對象主要包括轎廂、乘客和井道頂部三部分。以下分別對上述三部分進行建模并組合為沖頂模型。

由于研究的重點是沖頂速度與乘客間的相互作用關(guān)系，轎廂的結(jié)構(gòu)變形對仿真結(jié)果的影響相對較小，為了節(jié)約計算資源，建立模型時對轎廂進行簡化處理，將轎廂模型設(shè)計為空盒結(jié)構(gòu)，使轎廂直接撞擊井道頂部，省略掉轎頂設(shè)備、轎廂架，以及轎廂具體結(jié)構(gòu)細節(jié)，增加轎廂壁的厚度，轎廂壁厚均為20mm，轎廂內(nèi)部的寬、深和高分別為1400mm、1400mm和2400mm，轎廂材料選擇鋼，密度7580kg/m3，彈性模量2×105MPa，泊松比0.3。

人體的組織結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，由于本文重點研究的是乘客頭部的損傷，在建立乘客模型時參照顱骨的力學(xué)性能進行設(shè)置，其中，乘客模型設(shè)計身高為175cm，體重75kg，材料彈性模量6500MPa，泊松比0.25。現(xiàn)實中，井道頂部通常為混凝土結(jié)構(gòu)，電梯沖頂時，井道頂部的變形較小，可忽略不計，將井道頂部設(shè)置為剛體，使轎廂頂部與井道頂部直接接觸。最終建立的沖頂模型如圖1所示。

圖1 電梯沖頂模型圖

2 仿真分析

2.1 仿真設(shè)置

轎廂和乘客模型設(shè)置為彈性體，兩者的接觸類型為無摩擦接觸，兩者的初始速度（沖頂速度）相同，分別設(shè)置為1m/s、2.5m/s、5m/s和10m/s，考慮重力對模型的作用，重力加速度方向與轎廂和乘客的運動方向相反，大小為9.8m/s，井道頂部采用固定約束，對乘客模型頭部的網(wǎng)格做加密處理。由于不同沖頂速度下，乘客頭部從初始狀態(tài)到撞擊轎廂頂部的所需的時間不同，因此，仿真時間設(shè)置如表1所示。

表1 仿真時間設(shè)置

2.2 沖頂過程分析

運行仿真計算，計算完成后得到各沖頂速度下的仿真結(jié)果。以沖頂速度為5m/s的模型為例，模型沖頂過程如圖2所示。

圖2 模型沖頂過程位移圖

電梯沖頂后，如圖2a所示，轎廂反向彈回，而乘客在慣性作用下向上做減速運動，在0.09s時刻，如圖2b所示，乘客的頭撞擊到轎廂的頂部，撞擊后如圖2c所示，乘客在撞擊力的作用下反向向下運動，該仿真過程中乘客的運動形式與現(xiàn)實沖頂時乘客的運動形式基本吻合。

2.3 應(yīng)力分析

電梯沖頂時，主要表現(xiàn)為乘客頭頂撞擊轎廂，選取乘客模型的頭頂進行應(yīng)力分析，得到不同沖頂速度下的頭頂應(yīng)力值。以5m/s沖擊速度為例，撞擊時，乘客模型頭頂所受到的等效應(yīng)力如圖3所示，最大應(yīng)力出現(xiàn)于頭頂與轎廂頂部最早接觸部位。

圖3 頭頂撞擊轎廂等效應(yīng)力圖

關(guān)于人頭頂所能承受的最大應(yīng)力，已有文獻[4]對人體顱骨中的頂骨進行過壓縮實驗，實驗結(jié)果顯示，人頂骨具有很強的抗壓能力，頂骨所能承受的最大破壞應(yīng)力約為86.6±5.87MPa。將上述頂骨所能承受的最大破壞應(yīng)力與不同沖頂速度撞擊時的最大等效應(yīng)力進行比較分析，如表2所示。

表2 不同沖頂速度時頭頂所受應(yīng)力比較

由表2可知，當(dāng)沖頂速度為1m/s時，乘客模型未與轎廂頂部發(fā)生接觸和撞擊，不會對乘客頭部造成撞擊損傷，該仿真結(jié)果與文獻[1]中所述乘客僅腿部受傷的情況相吻合。而其他沖頂速度下，乘客模型均與轎廂頂部發(fā)生接觸和撞擊。各沖頂速度下，乘客頭頂受到的最大應(yīng)力均未超過頂骨壓縮破壞的應(yīng)力，但電梯沖頂速度越大，乘客頭頂部所受到的最大應(yīng)力也越大，沖頂速度與頭部撞擊損傷間存在著正比例關(guān)系。由此也可以推測，當(dāng)電梯沖頂速度達到一定數(shù)值后，電梯沖頂將直接導(dǎo)致頂骨的破裂及人員死亡。需要說明的是，由于仿真過程中乘客模型假設(shè)為整體式模型，模型內(nèi)部不存在活動關(guān)節(jié)及肌肉皮膚等軟組織，因此，仿真結(jié)果未考慮頭部撞擊時人體關(guān)節(jié)及軟組織的緩沖作用，仿真所得的撞擊力與實際情況存在差值。

3 防護措施

由于電梯沖頂對人頭部的損傷較大，針對電梯沖頂事故，一方面需要盡量預(yù)防沖頂事故的發(fā)生，例如，增加防沖頂裝置、加強安全檢測、提高維保質(zhì)量等，另一方面，也需要考慮沖頂事故不可避免時的防護措施，其中，在轎廂頂部增加一層防護層是最直接的防護措施，對于該防護層的防護效果，可采用仿真分析的方法進行驗證。下面以10m/s的沖頂速度為例，通過增加彈性防護層的方式，研究防護層對乘客頭部的保護作用。防護層選取仿真軟件材料庫中自帶的橡膠（rubber1），橡膠層厚度分別設(shè)置為50mm、100mm和200mm，轎廂總體高度相應(yīng)升高，轎內(nèi)高度保持不變，其他參數(shù)保持不變。當(dāng)防護層為200mm厚度時，乘客撞擊防護層的形變效果如圖4所示。

圖4 頭頂撞擊防護層形變圖

由于相較于乘客模型，橡膠防護層具有更大的彈性，因此，如圖4所示，乘客頭部撞擊防護層時，防護層的被撞擊部位產(chǎn)生凹陷，從而起到了緩沖的作用。不同防護層厚度時，乘客頭頂撞擊轎廂頂部時所受的最大應(yīng)力如表3所示。

表3 不同厚度防護層時頭頂所受應(yīng)力比較

由表3可知，在轎廂頂部設(shè)置了橡膠防護層后，模型頭頂撞擊時的最大應(yīng)力均明顯減小，且隨著防護層厚度的增加，防護層的防護效果也有所提升，但厚度的增加對防護效果的提升不明顯，表明橡膠防護層的存在可有效降低乘客頭頂所受到的撞擊力，起到降低損傷的效果，但僅靠增加的防護層厚度的方式來提升防護效果的方法并不可取，另外，相較于橡膠材料，泡沫、氣囊等其他類型的緩沖材料可能會具有更優(yōu)的防護效果，可對其防護效果做進一步研究。

4 結(jié)語

本文采用動力學(xué)仿真方法對電梯沖頂事故進行了模擬仿真，研究了沖頂速度與乘客頭部損傷的相互關(guān)系，結(jié)果表明，對于一般高度（2400mm）的電梯，當(dāng)電梯的沖頂速度為低速（1m/s）時，乘客頭部不會撞擊到轎廂頂部，頭部不易受到損傷，但當(dāng)沖頂速度達到高速（2.5m/s）及以上時，乘客的頭部就會受到較大的撞擊，且最大應(yīng)力隨速度的提升成倍增加。為了減小沖頂對乘客頭部造成的損傷，可在轎廂頂部設(shè)置彈性防護層，仿真結(jié)果表明，防護層可有效降低頭部的撞擊力，是一種相對簡單、經(jīng)濟的防護措施。本文由于現(xiàn)有研究條件的限制，所建立的模型存在較多的理想化假設(shè)，仿真結(jié)果與實際情況肯定存在一定的差別，還需要在以后的研究中不斷改進。