周俊先,陳秉智
(大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院,遼寧 大連 116028) *
基于二次碰撞簡(jiǎn)化模型的地鐵乘員損傷研究
周俊先,陳秉智
(大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院,遼寧 大連 116028)*
以兩列地鐵車輛碰撞仿真所得響應(yīng)作為邊界條件,構(gòu)建局部乘坐環(huán)境模型進(jìn)行單獨(dú)的二次碰撞分析.以FMVSS208標(biāo)準(zhǔn)為損傷預(yù)測(cè)依據(jù),探討了二次碰撞中座椅端部材料及布置方式、同一座椅上乘員人數(shù)變化、不同車廂這三種變量對(duì)坐姿假人損傷的影響.仿真結(jié)果表明:坐姿乘客在碰撞事故中損傷主要集中在頭部和胸部,由于局部集中載荷過(guò)大易導(dǎo)致相關(guān)部位骨骼和內(nèi)部臟器的損傷,同一座椅上的假人數(shù)量變化直接影響假人碰撞響應(yīng)峰值.合理的座椅端部布置可以起到保護(hù)乘客的作用,相反,不科學(xué)的布置方式也會(huì)加重對(duì)乘客的傷害,假人碰撞響應(yīng)的力學(xué)參數(shù)最大值可以作為地鐵內(nèi)飾結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù).
地鐵車輛;二次碰撞;假人;損傷
由于運(yùn)行和乘坐方式的局限,地鐵車輛客室內(nèi)往往不具備像汽車一樣完備的被動(dòng)安全設(shè)施,一旦發(fā)生事故,乘員傷亡概率往往較高.
國(guó)內(nèi)外針對(duì)軌道列車的被動(dòng)安全防護(hù)技術(shù)、降低二次碰撞對(duì)乘員的損傷方面均有相關(guān)研究.美國(guó)Volpe研究中心以實(shí)車碰撞與有限元仿真相結(jié)合的方式對(duì)軌道列車的被動(dòng)安全性展開(kāi)研究.Tyrell、Severson、Marquis等[1]主要研究二次碰撞中車輛內(nèi)飾對(duì)乘員損傷的影響,通過(guò)評(píng)價(jià)假人損傷響應(yīng)指標(biāo)對(duì)車輛內(nèi)飾提出優(yōu)化建議,相關(guān)研究成果對(duì)美國(guó)該類標(biāo)準(zhǔn)的修改和發(fā)布起到一定推進(jìn)作用.歐盟的安全有軌電車項(xiàng)目[2]對(duì)司機(jī)室和客室部分均提出了被動(dòng)安全性的相關(guān)要求,通過(guò)有限元多剛體假人仿真分析方法預(yù)測(cè)了乘員的損傷程度,并對(duì)車輛內(nèi)飾進(jìn)行改進(jìn).國(guó)內(nèi)運(yùn)用假人進(jìn)行乘員損傷預(yù)測(cè)主要集中在汽車領(lǐng)域.軌道列車領(lǐng)域則起步較晚,2004年鐵道科學(xué)研究院的劉金朝、房加志等[3]通過(guò)有限元分析方法研究了二次碰撞初速度對(duì)乘員的損傷影響,并優(yōu)化了車體結(jié)構(gòu),降低了二次碰撞中假人的力學(xué)響應(yīng)峰值.2015年,北京交通大學(xué)的王存義、張樂(lè)樂(lè)等[4]運(yùn)用有限元的方法,仿真分析了不同坐姿對(duì)假人二次碰撞傷害的影響,得出列車客室的布置和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案.
實(shí)際碰撞事故中人員損傷是由作用于人體關(guān)鍵部位的集中負(fù)荷引起,這與多種外界因素有關(guān).如車廂內(nèi)飾材料、內(nèi)飾布置、乘客坐姿、二次碰撞初速度、車體橫向擺動(dòng)和垂向沉浮等因素共同作用或幾種因素的隨機(jī)組合.本文將構(gòu)建地鐵車輛客室局部環(huán)境,以整列車的大變形碰撞仿真分析結(jié)果作為邊界條件,探討多種變量對(duì)坐姿假人損傷的影響.
總體來(lái)說(shuō),目前世界范圍內(nèi)軌道車輛乘員碰撞損傷方面的標(biāo)準(zhǔn)還很少,且多數(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)乘員損傷和車輛被動(dòng)安全性方面的規(guī)定和要求也并不詳盡和完善.多數(shù)國(guó)家還是參考借鑒了汽車行業(yè)相關(guān)的乘員損傷標(biāo)準(zhǔn),其中最有代表性的是美國(guó)道路交通安全局(NHTSA)制定的美國(guó)機(jī)動(dòng)車安全法規(guī).
2007年歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)通過(guò)了EN15227,該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于軌道車輛碰撞事故中乘客區(qū)域生存空間的變化量和車輛平均最大加速度做了詳細(xì)規(guī)定.英國(guó)列車運(yùn)營(yíng)公司協(xié)會(huì)(ATOC)AV/ST9001《Vehicle Interior Crashworthiness》該標(biāo)準(zhǔn)基于大量事故的統(tǒng)計(jì)分析,考慮到客室內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化和車輛的碰撞響應(yīng)與人體承受極限的關(guān)聯(lián),為提高車體被動(dòng)安全性,降低乘員因二次碰撞而導(dǎo)致傷亡的概率,對(duì)于軌道車輛的內(nèi)飾首次提出了具體要求,因此,也得到了廣泛的應(yīng)用.
根據(jù)軌道車輛碰撞事故中的乘員傷亡情況統(tǒng)計(jì)分析,顱腦損傷、胸部損傷、四肢損傷最為多發(fā)且危害性較大[5].英國(guó)鐵道車輛內(nèi)部耐撞擊性能標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)由于二次碰撞導(dǎo)致的乘員身體不同部位的受傷比例,其中頭部占12%、腿部20%、胸部6%、臉部18%、手臂14%,由于假人無(wú)法記錄臉和手臂的損傷,因此通常不把臉和手臂作為損傷指標(biāo).本文將采用頭部損傷判據(jù).胸部最大加速度(3 ms內(nèi))、脛骨所受壓力預(yù)測(cè)乘員的損傷狀況,其中頭部損傷判據(jù)為
(1)
式中:t1、t2為碰撞過(guò)程中任意兩個(gè)時(shí)刻;a(t)為碰撞過(guò)程頭部質(zhì)心合成加速度.美國(guó)的FMVSS208標(biāo)準(zhǔn)要求HIC值必須低于1 000,英國(guó)的AV/ST9001還要求頭部重心的合成加速度在持續(xù)時(shí)間多于3ms的部分不得超過(guò)80g.
胸腔臟器和脊柱的損傷與胸部加速度密切相關(guān),F(xiàn)MVSS208標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定在二次碰撞過(guò)程中3ms內(nèi)的人體胸部最大加速度峰值不得超過(guò)60g.腿部評(píng)價(jià)指標(biāo)主要考慮大腿所受最大壓縮力,響應(yīng)值不能超過(guò)7.56kN[6].
2.1 實(shí)驗(yàn)方法概述
運(yùn)用假人對(duì)軌道列車被動(dòng)安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)最常見(jiàn)的方法是將假人直接安放在車輛模型上進(jìn)行整車大變形仿真分析.該方法基于列車整體碰撞響應(yīng)對(duì)二次碰撞結(jié)果的影響,得到假人損傷情況具有一定參考價(jià)值,但是該方法由于模型龐大,耗費(fèi)時(shí)間,不利于反復(fù)修改計(jì)算,效率較低.另一種被廣泛采用的方法是根據(jù)碰撞沖擊脈沖曲線[7]進(jìn)行二次碰撞試驗(yàn),若采用該方法可構(gòu)建列車局部乘坐環(huán)境模型,并對(duì)該模型施加上述脈沖曲線以評(píng)價(jià)假人的碰撞響應(yīng).該方法由于模型較小,可以滿足多次修改計(jì)算,提高了仿真分析的效率,但該方法采用的脈沖曲線范圍較寬泛而并不具體,且只考慮了縱向沖擊脈沖,適合作為假人碰撞的定性分析方法.
結(jié)合以上兩種方法的優(yōu)點(diǎn),本文將構(gòu)建局部乘坐環(huán)境模型,并以整車碰撞響應(yīng)結(jié)果作為邊界條件進(jìn)行二次碰撞試驗(yàn),試驗(yàn)流程如圖1所示.
圖1 實(shí)驗(yàn)方法流程圖
2.2 整列車大變形碰撞仿真分析
圖2中的車輛模型是以某地鐵車輛的整車有限元模型為基礎(chǔ),將劃分好網(wǎng)格的座椅模型裝配至TC車側(cè)墻內(nèi)壁,放置好假人模型(本文采用的是HybridⅢ型假人),在靠近假人區(qū)域0.5m內(nèi)設(shè)置參考點(diǎn),其他車廂特定區(qū)域也設(shè)置參考點(diǎn).根據(jù)EN15227標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)定,一列整備狀態(tài)下的8節(jié)編組列車以25km/h速度撞擊另一列完全相同的靜止列車(假人位于運(yùn)動(dòng)編組列車),碰撞時(shí)間設(shè)定為800ms.
圖2 車輛模型圖
在上述試驗(yàn)方法上,列車實(shí)現(xiàn)了碰撞全過(guò)程的仿真,如圖3,列車前端各級(jí)吸能裝置歷經(jīng)吸能、變形、失效,最終兩列車達(dá)到共速,碰撞過(guò)程結(jié)束.
(a)正面形變
(b)端部性能區(qū)域形變
將運(yùn)動(dòng)編組TC車中假人乘坐區(qū)域內(nèi)參考點(diǎn)的縱向、橫向、垂向速度曲線輸出,作為局部乘坐環(huán)境模型的邊界條件
2.3 構(gòu)建局部乘坐環(huán)境模型
圖4給出的局部乘坐環(huán)境模型是基于圖2中的車輛模型建立的.其中地板,座椅的尺寸與厚度均與原車保持一致,由于假人在整個(gè)碰撞過(guò)程中并未與側(cè)墻發(fā)生接觸,而且考慮計(jì)算效率,故將側(cè)墻設(shè)為剛體.
圖4 局部乘坐環(huán)境模型
將參考點(diǎn)三個(gè)方向速度曲線作為子環(huán)境的邊界條件,并給假人以25km/h的縱向初速度,碰撞時(shí)間設(shè)為600ms.
2.4 響應(yīng)比較
將假人頭部加速度曲線與整車碰撞中的假人響應(yīng)進(jìn)行比較.
兩次試驗(yàn)中,假人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)基本保持一致.由圖5可以看出,局部乘坐環(huán)境中假人頭部加速度曲線與整車中假人保持趨勢(shì)一致,最大峰值相差不超過(guò)5%,說(shuō)明通過(guò)構(gòu)構(gòu)局部乘坐環(huán)境進(jìn)行假人損傷評(píng)估的方法可行而且具有一定可靠性.同時(shí),該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,仿真計(jì)算所需時(shí)間與整列車碰撞仿真分析相比,前者只需要后者的6‰左右,而且在分析多因素對(duì)假人的損傷影響時(shí)往往需要對(duì)模型進(jìn)行多次修改、比較、反復(fù)計(jì)算.
圖5 假人頭部加速度比較
3.1 地鐵座椅端部布置
國(guó)內(nèi)城市的地鐵車輛為保證其載客量的最大化,客室座椅一般沿車體側(cè)墻縱向布置.縱向布置座椅一般是6人座椅,為一個(gè)整體結(jié)構(gòu),對(duì)于常規(guī)坐姿的乘客而言,一般二次碰撞發(fā)生時(shí),與人體發(fā)生接觸的結(jié)構(gòu)包括座椅椅面、座椅端板、地板和扶手.座椅端板的材料分為鋁鑄件和玻璃鋼兩種,鋁鑄件端板強(qiáng)度好、壽命長(zhǎng)[8];玻璃鋼端板造型多變,重量輕.扶手采用不銹鋼材質(zhì),通常有垂向扶手一端連接座椅端板,另一端連接車體頂棚,而且位于座椅上方還設(shè)有橫向扶手連接垂向扶手和側(cè)墻內(nèi)壁,這種布置方法比較危險(xiǎn),由于橫向扶手的高度正好位于坐姿乘客頭部和頸部區(qū)域,當(dāng)二次碰撞發(fā)生時(shí)與頭部和頸部產(chǎn)生剛性撞擊,產(chǎn)生較大集中負(fù)荷,極大的增加了位于座椅端部乘客的傷亡概率.另一種常見(jiàn)的布置是由弧形扶手一端連接座椅端板另一端連接車體側(cè)墻內(nèi)壁,并裝有玻璃鋼屏風(fēng).
本文將選取兩種最有代表性的座椅端部布置方法進(jìn)行比較,如圖6(a)中座椅端板采用三角形鋁合金材質(zhì)并配有垂向不銹鋼扶手;圖6(b)中座椅端部采用玻璃鋼屏風(fēng)[9],兩種布置方法中的座椅椅面均為不銹鋼材質(zhì),根據(jù)人機(jī)工程學(xué)的相關(guān)原理和與人體尺寸相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì),符合GB10000中的相關(guān)規(guī)定.
(a)端部三角形鋁合金端板
(b)端部玻璃鋼屏風(fēng)
兩種座椅端部布置方法的子環(huán)境邊界條件采用相同參考點(diǎn)的速度響應(yīng)曲線,碰撞時(shí)間800ms(表1).
由圖7可以看出,座椅端部設(shè)置玻璃鋼屏風(fēng)對(duì)假人頭部加速度響應(yīng)的變化影響較大.由于一次碰撞開(kāi)始后假人與座椅產(chǎn)生相對(duì)速度,假人運(yùn)動(dòng)至座椅端部時(shí),鋁合金三角端板由于尺寸較小,只限制了假人肋部和髖關(guān)節(jié)的縱向位移,此時(shí)假
人重心向上產(chǎn)生偏移,起到一定的緩沖作用,但是由于車輛發(fā)生一次碰撞后車體有較大的橫向波動(dòng),假人頭部有可能直接撞擊到垂向扶手.而玻璃鋼屏風(fēng)會(huì)限制假人整個(gè)身體的縱向位移,使假人頭部和肩部直接與屏風(fēng)發(fā)生撞擊,增加了頭部損傷的風(fēng)險(xiǎn).而假人的3ms胸部最大加速度和大腿所受最大壓力并不因座椅端部布置的不同而產(chǎn)生較大差異,如圖8所示.
圖7 假人頭部加速度對(duì)比
圖8 假人胸部加速度對(duì)比
端部布置HIC值3ms胸部最大加速度/g腿部最大壓力/kN左右鋁合金端板132360.832.12玻璃鋼屏風(fēng)637370.771.85
3.2 乘客人數(shù)
在實(shí)際碰撞事故中,不但有乘客與車輛內(nèi)飾產(chǎn)生接觸碰撞,也有乘客與乘客之間的相互作用,乘客與車廂內(nèi)物體發(fā)生碰撞的同時(shí)還與其他乘客相互擠壓、摩擦,致使乘客的損傷情況產(chǎn)生變化,本節(jié)將采用最多四位乘客最少一位乘客的不同組合方式,對(duì)假人的損傷情況進(jìn)行橫向和縱向?qū)Ρ?,評(píng)價(jià)乘客人數(shù)對(duì)人員損傷的影響.
各種數(shù)量假人組合的局部乘坐環(huán)境模型邊界條件采用同一參考點(diǎn)的速度輸出曲線,碰撞時(shí)間800 ms.假人的編號(hào)如圖9中所示從左至右依次為Dummy1、Dummy2、Dummy3、Dummy4.
圖9 不同數(shù)量假人組合的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)
由圖10和表2可見(jiàn)假人的各項(xiàng)響應(yīng)從左到右依次遞減,碰撞開(kāi)始時(shí),四個(gè)假人幾乎是以相同狀態(tài)向前運(yùn)行,320 ms左右,Dummy1與座椅端部發(fā)生碰撞接觸,停止與座椅的相對(duì)運(yùn)動(dòng),頭部加速度與3ms內(nèi)胸部加速度達(dá)到第一個(gè)波峰,此時(shí)由于慣性的作用其余假人繼續(xù)向前運(yùn)行,依次發(fā)生接觸與擠壓,Dummy1所受壓力逐漸疊加,加速度達(dá)到最大峰值,Dummy2、Dummy3、Dummy4受到來(lái)自其他假人的壓力力依次減小,體現(xiàn)在加速度曲線上便是加速度峰值的遞減.
圖10 四人組合中假人頭部加速度
圖11 Dumm1假人頭部加速度縱向?qū)Ρ?/p>
IDHIC值3ms胸部最大加速度/g脛骨最大壓力/kN左右Dummy1724523.285.43Dummy2226372.162.69Dummy3117391.531.63Dummy474320.701.52
表3 各種組合中Dummy1響應(yīng)縱向比較
同理,在Dummy1的縱向比較(表3 )中可見(jiàn),由于來(lái)自其余假人的慣性沖擊力的遞增,人數(shù)越多,Dummy1的碰撞響應(yīng)值最大峰值越高,如圖11.
3.3 不同車廂
本文采用的地鐵車輛模型為8節(jié)編組,由于在整個(gè)列車碰撞過(guò)程中發(fā)生變形主要集中在頭車,中間車發(fā)生變形較小,所以根據(jù)EN15227的相關(guān)規(guī)定,在8節(jié)編組中除了TC01車和MP02車是完全按照實(shí)際幾何模型建立有限元模型,其余車輛均采用簡(jiǎn)化模型處理.將前兩節(jié)車廂的參考點(diǎn)速度曲線輸出作為局部乘坐環(huán)境模型的邊界條件.評(píng)價(jià)不同車廂在二次碰撞過(guò)程中對(duì)假人損傷的影響.
由圖12的頭部加速度對(duì)比圖和不同車廂中假人響應(yīng)分析(表4 )可以看出,運(yùn)動(dòng)和靜止編組的TC01車中,假人頭部加速度的最大峰值均在320 ms左右產(chǎn)生,且最大峰值相差很小.說(shuō)明兩列車頭車的碰撞響應(yīng)比較對(duì)稱.碰撞發(fā)生后,主要監(jiān)控參數(shù)如速度、應(yīng)力以波狀形式沿車體向后傳遞.體現(xiàn)在假人頭部加速度曲線上便是MP02車假人頭部加速度的第一個(gè)較大峰值出現(xiàn)的要比TC01車晚了150 ms左右,此時(shí),假人與座椅端部發(fā)生接觸,在550 ms左右達(dá)到最大峰值,且最大峰值均高于TC01車中假人,這是由于MP02車的橫向擺動(dòng)較大,假人與座椅端板接觸后,頭部撞擊到垂向扶手,產(chǎn)生較大集中負(fù)荷.車體縱向撞擊力由車頭向后逐漸遞減,使得MP02車中假人相對(duì)TC01車,大腿與座椅端部的撞擊力減小.
圖12 不同車廂內(nèi)假人頭部加速度
車廂HIC值3ms胸部最大加速度/g脛骨最大壓力/kN左右運(yùn)動(dòng)TC01132360.832.12運(yùn)動(dòng)MP02294400.761.89靜止TC01241500.811.99靜止MP02358440.581.55
(1)運(yùn)用整車大變形碰撞仿真方法研究多變量對(duì)假人損傷的影響十分耗時(shí)且模型復(fù)雜.本文采用構(gòu)建局部乘坐環(huán)境模型進(jìn)行二次碰撞分析的方法,通過(guò)設(shè)置局部乘坐環(huán)境模型的邊界條件保證假人響應(yīng)的可靠性,并可以根據(jù)變量的不同對(duì)模型進(jìn)行反復(fù)修改并計(jì)算,提高了假人二次碰撞仿真計(jì)算效率;
(2)地鐵車輛中影響坐姿乘客二次碰撞損傷的因素復(fù)雜,其中比較重要的是座椅端部布置.本文以兩種常見(jiàn)座椅端部布置方式為基礎(chǔ),結(jié)合假人損傷情況,探討了地鐵車輛內(nèi)飾中座椅端板、扶手、屏風(fēng)的布置方式與乘客損傷程度的關(guān)系;
(3)我國(guó)地鐵車輛中最常見(jiàn)的是六人縱向座椅,座椅邊緣的座位由于靠近端部結(jié)構(gòu),在碰撞發(fā)生時(shí)最危險(xiǎn),且同一座椅中人數(shù)越多,座椅端部乘客損傷概率越高.車廂橫向擺動(dòng)對(duì)假人的碰撞響應(yīng)影響較大.位于橫向擺動(dòng)劇烈的車廂中的乘客,其頭部與扶手更容易發(fā)生碰撞,或者從座椅上跌落,這都大大增加了乘客的傷亡概率.
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Study of Impact on Passenger Injuries in a Subway Vehicle based on Simplified Model of Secondary Collision
ZHOU Junxian, CHEN Bingzhi
(School of Traffic and Transportation Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China)
The collision response of two subway trains are used as boundary conditions, and a partial model of train carriage is created to carry on a secondary collision analysis. The impact effects of sitting dummy in various factors are considered on the standard of FMVSS208, including the arrangement of the seat and handrails, the materials of seats, the number of passengers in one seat and different carriages. The simulation indicates that the injuries mainly occur on the head and chest of sitting passengers, and large concentrated load will lead to the injuries of visceral partially. Reasonable arrangements seats and handrails will protect the passengers. On the contrary, unreasonable way will aggravate the injury to passengers. The maximum mechanical value of collision responses on dummise can be used as basis for the design of carriage interior structure.
subway vehicle; the secondary collision;dummy; injury
1673- 9590(2017)02- 0037- 06
2016-01-20 基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11272070);中國(guó)鐵路總公司科學(xué)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015J007-H)
周俊先(1990-),男,碩士研究生 ; 陳秉智(1971-),男,教授,博士,主要從事車輛結(jié)構(gòu)分析與現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的研究
A
E- mail:chenbingzhi06@hotmail.com.