基于有限元模擬計算的軌道車輛乘員二次碰撞傷害研究

姜良奎 董青婧

（1. 西南交通大學建筑與設計學院，四川 成都 611731； 2. 中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111）

0 引言

隨著經濟社會的發展，選擇地鐵、動車等軌道車輛出行人群越來越大，由于列車地鐵等車輛不具備汽車一樣的被動安全設施，一旦發生事故，乘員受傷的概率較高。近幾年來國內外研究軌道車輛碰撞事故中發現，大量的乘員傷害是由乘員與客室內部設施之間的二次碰撞造成的[1]，美國在研究車輛碰撞的同時在車輛內部布置了不同百分位的假人模型，對乘員二次碰撞的傷害進行了研究[2]。西南交通大學的張志新等[3]通過有限元分析方法研究了二次碰撞中客室內部座椅間距、安全帶等對乘員的損傷影響，并優化了車體結構，降低了二次碰撞中假人的力學響應峰值。

由于軌道車輛內部空間有限，在車輛客室內部，座椅的排布方式、座椅之間的間距以及座椅椅背的剛度與乘員的二次碰撞安全密切相關。該文結合我國軌道交通車輛客室內部的設施與布置情況，構建軌道車輛客室局部模型，結合歐洲的乘員傷害標準，分別建立了不同座椅排布方式、不同座椅間距、不同座椅椅背剛度的有限元模型，分析這些因素對乘員傷害的影響，并提出了碰撞事故中乘員安全防護的建議。

1 乘員損傷標準及碰撞仿真模型

1.1 乘員損傷標準

筆者對軌道車輛碰撞事故中的乘員傷亡情況進行統計，發現顱腦損傷、胸部損傷、四肢損傷最多發且危害性較大[4]，研究發現二次碰撞導致的乘員身體不同部位的受傷比例不同，其中頭部占12%、腿部20%、胸部6%、臉部18%、手臂14%，由于假人無法記錄臉和手臂的損傷，因此通常不將臉和手臂作為損傷指標[5]。該文采用頭部損傷，胸部最大加速度（3ms內） 、脛骨所受壓力作為損傷判據，預測乘員的損傷狀況，其中頭部損傷判據如公式（1）所示。

式中：t1，t2為碰撞過程中任意兩個時刻；a（t）為碰撞過程頭部質心合成加速度，參考歐美的標準，要求HIC值必須低于1000[3]。

胸腔臟器和脊柱的損傷與胸部加速度密切相關FMVSS208標準中規定在二次碰撞過程中3ms內的人體胸部最大加速度峰值不得超過60g，腿部評價指標主要考慮大腿所受最大壓縮力，響應值不能超過7.56kN[5]。

1.2 碰撞仿真模型

實際軌道車輛是由多組車廂連接而成，如果建立所有車廂的有限元模型，這無疑是費時費力的，并且不利于對模型進行多次修改計算。研究表明[6]，構建列車組局部模型進行假人損傷評估，方法是可行的，同時與整列車相比，能夠極大地節省仿真計算時間。因此該文將提取軌道車輛列車組中一組乘客車廂建立局部客室模型，模型中假人的縱向初速度沿著X軸方向，速度值來自整車的碰撞速度為15.7km/h，局部客室模型的邊界條件提取自列車整車模型，計算時間為800ms。由于整個過程中，假人沒有和車體側面發生碰撞，因此將其設置為剛體，以提高計算效率。模型中假人來自于法國ESI公司開發的假人，可以根據實際的情況，調整假人的姿態，該型假人能夠輸出二次碰撞后身體各部位的力、力矩、加速度、位移曲線，通過曲線評估損傷情況。局部客室有限元模型側視圖如圖1所示。

圖1 局部客室有限元模型側視圖

2 影響乘員二次碰撞損傷的因素

2.1 座椅排布方式的影響

軌道車輛內部座椅的排布方式，座椅的方向可以是同向布置，同向和背向排布時，座椅上均放置一個6歲兒童假人。座椅同向排布時，假人在二次碰撞過程中的運動姿態，如圖2所示。運動姿態變化圖表明車輛沿著X正向和障礙物發生碰撞后，假人由于慣性飛離座椅，沖向前排座椅，在170ms左右假人腿部先和前排座椅椅背發生二次碰撞，隨后頭部接觸到前排座椅椅背，由于力的相互作用假人向前運動的速度逐漸減為零，并且受到座椅的作用力而產生反向的速度，前排座椅將假人彈回乘坐的座椅，此時速度明顯減慢，假人頭部先和乘坐的座椅接觸，如圖2中400ms所示，由于之前的接觸碰撞導致假人能量大幅減少，因此此時碰撞對假人頭部傷害較小。之后身體的肩部，背部和座椅接觸，運動姿態逐漸穩定，如圖2中800ms所示。

圖2 座椅同向排布時假人二次碰撞過程

圖3所示為座椅背向排布時，6歲兒童假人二次碰撞過程中的運動姿態變化。由于車輛初速度沿著X正向和障礙物發生碰撞，假人因為慣性向座椅椅背靠近，此時假人頭部先和座椅發生接觸而產生二次碰撞，如圖3中110ms所示。這是由于座椅的結構設計，通常對應頭部區域的座椅區域較大較厚。之后假人的身體背部才接觸到座椅椅背，由于力的相互作用，假人在座椅的作用力下反方向運動，并于600ms左右接觸到另一排座椅，由于之前的接觸碰撞導致假人能量大幅減少，因此此時碰撞對假人傷害較小，而后假人開始返回座椅，如圖3中800ms所示。

圖3 座椅背向排布時假人二次碰撞過程

根據座椅同向/背向排布時，假人身體和座椅接觸碰撞的特點，提取頭部/胸部/腿部的傷害曲線，經過軟件后處理計算得到這些部位的傷害值，如表1所示。從表中看出，座椅同向排布時，假人頭部HIC值/胸部3ms加速度較低，但是腿部軸向壓縮力較大。這是由于座椅同向排布時，發生二次碰撞時，假人前傾撞向前排的座椅，同時在頭部接觸座椅前，假人的腿部先撞向前面的座椅，所以表1中，座椅同向排布時，假人的腿部壓縮力大于背向排布，因此前排的座椅約束了假人的進一步向前運動，起到了較好的保護作用。對座椅背向排布的形式，二次碰撞時，假人將撞向身后的座椅，頭部較早的直接接觸到了座椅，發生二次碰撞，因此頭部損傷值較大。

表1 不同座椅排布方式假人傷害值

2.2 座椅間距的影響

采用座椅同向排布的方案，繼續分析前排與后排座椅之間的座椅距離對二次碰撞中乘員傷害的影響，圖4為前排后排座椅間距示意圖，車輛結構和障礙物碰撞后，假人因為慣性飛離座椅，假人的運動過程如圖2所示類似，只不過座椅間距發生了變化。圖5為不同座椅間距下假人頭部質心合成加速度-時間曲線，從圖中可以發現，隨著間距增大，加速度峰值越高，根據碰撞理論，加速度峰值越高，對乘員的沖擊越強，碰撞安全性越差。從時間上來看，200ms左右假人頭部與前排座椅發生二次碰撞，加速度曲線出現峰值，之后隨著假人的能量被座椅吸收，座椅對假人產生反向作用力，加速度曲線逐漸趨向平緩，之后假人彈回座椅與座椅接觸，對應著加速度曲線上400ms之后的尖峰。此時雖然產生了一定的峰值，但是由于總體能量較小，與第一個尖峰相比對乘員傷害較小。

圖4 前排與后排座椅間距

圖5 不同座椅間距下假人頭部加速度曲線

從假人的頭部/胸部/腿部傷害曲線，提取得到的傷害數值如表2所示。從表中數值可以看出，隨著座椅間距的增大，假人頭部損傷值HIC36逐漸增大，3ms胸部加速度值逐漸增大，大腿軸向壓縮力逐漸增大。這是由于當座椅間距變大時，前后排座椅間空間變大，車輛碰撞后后排乘員飛出撞向前排座椅的時間變長，乘員撞向座椅的那一刻，速度變大，能量較大，因此乘員損傷也較大。

表2 不同座椅間距下假人傷害值

2.3 座椅椅背剛度的影響

采用座椅同向布置的方案，前后排座椅間距為857mm保持不變，分析前排座椅椅背剛度對乘員二次碰撞安全的影響，椅背剛度的選取參考美國校車座椅碰撞保護標準[3，7]，該標準規定了無安全帶的校車座椅椅背剛度選取范圍。座椅上仍舊放置兒童假人模型，假人在二次碰撞中的運動姿態變化情況與座椅同向排布類似。不同椅背剛度下頭部質心合成加速度如圖6～圖8所示，從加速度曲線發現，曲線上第一個峰值出現的時間基本一致，這是由于此時座椅間距保持不變，車輛碰撞初速度一樣，假人頭部與座椅椅背接觸的時刻相同，但是加速度峰值存在差異，座椅椅背剛度低的加速度峰值較低。

圖6 座椅椅背剛度較低時頭部加速度曲線

圖8 座椅椅背剛度高時頭部加速度曲線

圖7 座椅椅背剛度中時頭部加速度曲線

從假人的傷害曲線中提取得到的頭部/胸部3ms/腿部壓縮力傷害數值如表3所示。從數值中明顯看出，隨著座椅椅背剛度的增大，后排假人撞向前排，假人傷害值也逐漸增大，這是由于椅背剛度變大后，座椅椅背變硬，假人頭部接觸到椅背后傷害自然增大。因此在符合相關座椅標準的基礎上，應該盡量選擇椅背剛度較小的座椅。而胸部3ms加速度和腿部軸向壓縮力數據表明，隨著座椅椅背剛度的變化，數值整體差異不大，但是數值較高，表明在當前座椅剛度下，假人胸部受到沖擊較大。從腿部軸向壓縮力數據上發現，隨著椅背剛度的變化，腿部壓縮力數值差異較小，主要是當前的假人姿態下腿部和座椅接觸后，身體其余部位也在發生運動，腿部傷害程度沒有頭部明顯。

表3 不同座椅椅背剛度假人傷害值

3 結論

該文基于我國軌道交通車輛客室內部的設施與布置，參考歐美國家軌道車輛乘員傷害標準，建立軌道車輛客室局部有限元模型，研究客室內部乘員的二次碰撞傷害，分析了客室內部座椅不同布置方式、不同的座椅間距、不同座椅椅背剛度對乘員安全性的影響，得出結論如下：1）相比于座椅背向排布，座椅同向排布下，乘員腿部首先接觸到前排座椅，頭部的傷害值較小，乘員安全性更高；2）不同座椅間距下，隨著座椅間距增大，前后排座椅距離增大，車體結構碰撞后，乘員飛離座椅撞向前排座椅的時間過程變大，乘員撞向座椅的那一刻，速度變大，能量較大，因此乘員頭部損傷增大；3）隨著座椅椅背剛度的增大，座椅椅背變硬，假人頭部接觸到椅背傷害自然增大。因此在符合相關座椅標準的基礎上，應該盡量選擇椅背剛度較小的座椅。