姚曙光，邢　藝，鄧雯苑，彭　勇

(1.中南大學(xué) 軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙　410075；2.中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙　410075；3.廣東技術(shù)師范學(xué)院 汽車學(xué)院，廣東 廣州　510665)

列車的撞擊過程往往是耦合撞擊過程，這個(gè)過程中涉及駕駛員與司機(jī)室的二次碰撞，在二次碰撞中，司機(jī)室的結(jié)構(gòu)布局及其內(nèi)部物體的材料特性是影響駕駛員損傷的主要因素。為了減少列車撞擊給駕駛員和乘員帶來的損傷，目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)軌道列車的客室結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行了許多研究，如Stanislav研究了不同年齡列車乘員的二次碰撞損傷，分析了客室不同空間布局時(shí)的二次碰撞，提出了相對(duì)安全的布局[1]；Tyrell開展了一系列客室內(nèi)假人的二次碰撞試驗(yàn)，采用三角形沖擊波估算了各種事故場(chǎng)景下列車乘員的存活率和車內(nèi)座椅的破壞數(shù)[2]；王文斌等人采用MADYMO軟件對(duì)多剛體假人模型進(jìn)行仿真，分析座椅間距、座椅方向、椅背剛度等對(duì)列車乘員傷害的影響，表明了客室內(nèi)合理的空間結(jié)構(gòu)布置能夠減小乘員的損傷[3]；謝素超等人基于MADYMO軟件建立了車體客室—假人的耦合結(jié)構(gòu)模型，研究列車乘員二次碰撞損傷的程度，并基于Kriging算法解決客室空間尺寸與部件剛度的優(yōu)化配置問題[4]。但是，對(duì)于列車司機(jī)室結(jié)構(gòu)的布局進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以達(dá)到減小駕駛員二次碰撞損傷，國(guó)內(nèi)外還沒有太多的研究。而在列車碰撞事故中，司機(jī)室處在列車撞擊的最前端，駕駛員是碰撞中最先受到傷害的。

本文以列車駕駛員損傷參數(shù)為目標(biāo)量，以操控臺(tái)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和布局參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，研究列車司機(jī)室操控臺(tái)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸及與座椅的配合尺寸對(duì)駕駛員損傷的影響，對(duì)駕駛員損傷指標(biāo)進(jìn)行多目標(biāo)尋優(yōu)，并進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

1　優(yōu)化基礎(chǔ)

1.1　有限元模型

本文基于HYPERMESH軟件建立了假人—司機(jī)室—列車有限元模型，其中列車車體選用某城際鐵路動(dòng)車組列車，該列車為9輛編組，在列車撞擊計(jì)算中，除頭車外，對(duì)其余車輛用質(zhì)量點(diǎn)單元模擬，其中建立的頭車有限元模型如圖1所示。

圖1　頭車有限元計(jì)算模型

建立列車有限元模型后，定義單元屬性和材料參數(shù)。車體為鋼制材料，選用線性彈塑性材料模擬；建立車體的連接及接觸關(guān)系，用非線性離散梁?jiǎn)卧M轉(zhuǎn)向架和車體的一系、二系懸掛，在車體的主要碰撞區(qū)域設(shè)置自動(dòng)單面接觸，輪軌接觸采用面面接觸；然后將列車以7 m·s-1的速度撞擊固定剛性墻作為邊界及初始條件，最后生成有限元分析軟件LS-DYNA計(jì)算的求解文件。

在碰撞發(fā)生時(shí)，駕駛員最可能與司機(jī)室操控臺(tái)及座椅發(fā)生二次碰撞，因此在建立包括操控臺(tái)面、儀表板及下部柜體的操控臺(tái)系統(tǒng)有限元模型時(shí)，對(duì)操控臺(tái)面及儀表板進(jìn)行簡(jiǎn)化，只考慮它們的整體結(jié)構(gòu)，忽略對(duì)撞擊損傷影響較小的細(xì)微結(jié)構(gòu)，操控臺(tái)面和下部柜體采用鋁材模擬，儀表板采用玻璃鋼材料模擬。司機(jī)室座椅主要由坐墊、椅背、頭枕、扶手以及座椅支撐構(gòu)成，坐墊、椅背、頭枕采用實(shí)體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，采用具有高度壓縮性能的低密度軟泡沫材料模擬，且在軟泡沫材料外包有1層共節(jié)點(diǎn)的薄殼單元；座椅支撐采用分段線性彈塑性材料模擬，用矩陣表格輸入各段的應(yīng)力—應(yīng)變線性關(guān)系。駕駛員有限元模型使用LSTC公司建立的50百分位假人有限元模型。最后建立的司機(jī)室操控臺(tái)—座椅—假人的有限元模型如圖2所示。

圖2　操控臺(tái)—座椅—假人有限元模型

1.2　參數(shù)設(shè)計(jì)

司機(jī)室操控臺(tái)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局按照UIC-651標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置[5]。用A代表操控臺(tái)側(cè)面與座椅G點(diǎn)(座椅坐墊與靠背表面的相切點(diǎn))的縱向水平距離(簡(jiǎn)稱座椅操控臺(tái)水平距離)，座椅可前后移動(dòng)，與操控臺(tái)的距離會(huì)影響駕駛員與操控臺(tái)撞擊的時(shí)間及撞擊速度；用B代表操控臺(tái)膝墊與操控臺(tái)側(cè)面的縱向水平距離(簡(jiǎn)稱膝墊距離)，在撞擊過程中膝墊的位置會(huì)限制駕駛員腿部的移動(dòng)距離，影響駕駛員腿部的損傷；用C代表操控臺(tái)截面厚度，操控臺(tái)截面厚度決定了駕駛員胸部與操控臺(tái)接觸面的大小，直接影響作用于駕駛員胸部的壓強(qiáng)；用D代表腳踏板高度，腳踏板高度的設(shè)計(jì)將影響駕駛員的重心高度，并決定了撞擊時(shí)操控臺(tái)面與駕駛員撞擊的位置。4個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)變量中，A和B為操控臺(tái)系統(tǒng)的布局參數(shù)，C和D為操控臺(tái)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，司機(jī)室操控臺(tái)系統(tǒng)各優(yōu)化設(shè)計(jì)變量及取值范圍如圖3所示。

圖3　操控臺(tái)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)變量示意圖(單位：mm)

列車駕駛員在碰撞發(fā)生后極易受到損傷，損傷類型包含機(jī)械性損傷、生物損傷以及心理?yè)p傷，不同部位的損傷機(jī)理各不一樣。為了評(píng)定駕駛員的損傷程度，參考美國(guó)FMVSS208乘員碰撞保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)[6]和英國(guó)內(nèi)飾結(jié)構(gòu)耐撞性標(biāo)準(zhǔn)AV/ST9001[7]，引入駕駛員碰撞損傷參數(shù)，分別為：頭部損傷指標(biāo)HIC36、頸部損傷指標(biāo)Nij、胸部損傷指標(biāo)TC3ms、脛骨指數(shù)TI。其中，頭部損傷指標(biāo)HIC36為36 ms時(shí)間間隔內(nèi)駕駛員頭部質(zhì)心位置的加速度最大值；頸部損傷指標(biāo)Nij與碰撞中駕駛員所受的頸部力和力矩有關(guān)；胸部損傷指標(biāo)TC3ms為胸部合成加速度累積作用時(shí)間超過3 ms的值；脛骨指數(shù)TI與小腿所受的軸向力和力矩有關(guān)。

1.3　優(yōu)化方法

碰撞問題是一類十分復(fù)雜的非線性物理問題[8],而且用有限元分析碰撞問題需要耗費(fèi)大量的時(shí)間，因此引入代理優(yōu)化的方法，即利用有限的樣本點(diǎn)構(gòu)造代理優(yōu)化模型并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。建立代理模型的常用方法有傳統(tǒng)響應(yīng)面法[10]、Kriging模型法[11]、徑向基函數(shù)法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。

本文采用乘員損傷優(yōu)化設(shè)計(jì)中被廣泛運(yùn)用的Kriging法建立代理優(yōu)化模型，通過Kriging法構(gòu)造駕駛員損傷指標(biāo)隨設(shè)計(jì)變量的變化曲面，并借助求解多目標(biāo)優(yōu)化問題的帶精英策略的非占優(yōu)排序遺傳算法(NSGA-Ⅱ)對(duì)代理模型進(jìn)行尋優(yōu)。用遺傳算法求解代理模型的最優(yōu)值時(shí)，首先隨機(jī)生成1個(gè)初始種群，對(duì)種群個(gè)體進(jìn)行編碼，將目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為適應(yīng)度函數(shù)；對(duì)每個(gè)個(gè)體進(jìn)行適應(yīng)度評(píng)價(jià)，評(píng)定每個(gè)個(gè)體的優(yōu)劣程度；然后通過選擇、交叉及變異等算法產(chǎn)生更優(yōu)的新一代種群；最后進(jìn)行終止條件判斷，最優(yōu)解就是進(jìn)化中擁有最高適應(yīng)度的個(gè)體，即本研究中所求模型的最優(yōu)值。

2　優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1　試驗(yàn)設(shè)計(jì)

對(duì)司機(jī)室的4個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)變量采用正交試驗(yàn)，其中取A分別為350，400和450 mm，B分別為320，370和420 mm，C分別為120，70和170 mm，D分別為150，200和250 mm，9次試驗(yàn)均在相同碰撞場(chǎng)景下進(jìn)行，得到各試驗(yàn)下駕駛員的損傷情況見表1。

表1　正交試驗(yàn)及結(jié)果

從表1可以看出：頭部損傷指標(biāo)離耐受極限較遠(yuǎn)，受傷的可能性低；頸部損傷指標(biāo)都在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，但試驗(yàn)4和試驗(yàn)8的結(jié)果接近標(biāo)準(zhǔn)值，較為危險(xiǎn)；胸部損傷指標(biāo)都在耐受范圍內(nèi)；有6個(gè)試驗(yàn)的脛骨指數(shù)指標(biāo)超過了標(biāo)準(zhǔn)值，可見駕駛員腿部受傷的危險(xiǎn)性極大。

不同優(yōu)化設(shè)計(jì)變量下各損傷指標(biāo)的極差分析結(jié)果見如表2，依據(jù)極差R的大小可以判斷優(yōu)化設(shè)計(jì)變量對(duì)損傷指標(biāo)的影響程度，R越大代表該優(yōu)化設(shè)計(jì)變量的影響程度越大。

表2　不同優(yōu)化設(shè)計(jì)變量下各損傷指標(biāo)的極差分析結(jié)果

從表2可以看出：①頭部損傷指標(biāo)受操控臺(tái)截面厚度的影響最大，其次受腳踏板高度及座椅操控臺(tái)水平距離的影響，膝墊距離的影響最小。②頸部損傷指標(biāo)受膝墊距離及腳踏板高度的影響較大，膝墊離操控臺(tái)邊沿越近，頸部損傷越大，腳踏板高度越高，頸部損傷越嚴(yán)重；頸部損傷指標(biāo)受座椅操控臺(tái)水平距離和操控臺(tái)截面厚度的影響較小，操控臺(tái)越厚，頸部損傷越小。③胸部損傷指標(biāo)受座椅操控臺(tái)水平距離的影響最大，其次受操控臺(tái)截面厚度和腳踏板高度的影響，膝墊距離對(duì)胸部損傷的影響最小，座椅操控臺(tái)水平距離越近，胸部損傷越小。④脛骨指數(shù)受座椅操控臺(tái)水平距離的影響最大，其次受膝墊距離和操控臺(tái)截面厚度的影響，腳踏板高度的影響最小，座椅操控臺(tái)水平距離近時(shí)脛骨損傷值明顯較小。

經(jīng)以上分析可知，優(yōu)化設(shè)計(jì)變量A對(duì)胸部損傷和腿部損傷的影響較大；D對(duì)頭部損傷和頸部損傷的影響較大；B只對(duì)頸部損傷影響較大，對(duì)其余指標(biāo)的影響都較?。籆對(duì)頭部加速度影響較大，但在本試驗(yàn)中頭部加速度損傷都較小，座椅操控臺(tái)水平距離和腳踏板高度是影響駕駛員損傷的主要因素。因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化前須先確定膝墊距離和操控臺(tái)截面厚度，考慮到膝墊距離較近時(shí)可能引起頸部與腿部較大的損傷，選擇420 mm為最優(yōu)的膝墊距離；頸部損傷隨操控臺(tái)截面厚度增加而減小，選擇170 mm為最優(yōu)的操控臺(tái)截面厚度。

2.2　結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由于優(yōu)化設(shè)計(jì)變量A和D是影響駕駛員損傷的主要因素，以優(yōu)化設(shè)計(jì)變量B和C取上節(jié)得到的最優(yōu)值為前提，選擇A分別為350，400和450 mm，D分別為150，175，200，225和250 mm，設(shè)計(jì)兩因素的全因子試驗(yàn)，試驗(yàn)共有15個(gè)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表3。

表3　全因子試驗(yàn)及結(jié)果

續(xù)表3

以全因子試驗(yàn)的結(jié)果為樣本點(diǎn)，采用Kriging法建立駕駛員各部位損傷在優(yōu)化設(shè)計(jì)變量A和D下的近似模型。因各試驗(yàn)工況中頭部損傷與標(biāo)準(zhǔn)值差距較遠(yuǎn)，可以忽略對(duì)其的優(yōu)化，其他部位損傷的響應(yīng)曲面如圖4所示。

從圖4可以看出：頸部損傷隨座椅操控臺(tái)水平距離的增加先增加后減小，與腳踏板高度無線性關(guān)系；胸部損傷隨座椅操控臺(tái)水平距離的增加呈增加趨勢(shì)，與腳踏板高度無線性關(guān)系；脛骨指數(shù)與座椅操控臺(tái)水平距離無線性關(guān)系，隨腳踏板高度呈拋物線變化，在腳踏板中間高度位置損傷值最大。

圖4　各損傷參數(shù)Kriging響應(yīng)面

采用遺傳算法對(duì)代理模型尋優(yōu)，選擇種群規(guī)模為50個(gè)，共有100個(gè)迭代種群，交叉概率為0.9，交叉分布指數(shù)為10。通過NSGA-Ⅱ遺傳算法尋優(yōu)，得到當(dāng)A=368 mm，D=250 mm時(shí)駕駛員的損傷最小，當(dāng)A=450 mm，D=160 mm時(shí)駕駛員的損傷最大。

2.3　優(yōu)化結(jié)果討論

按駕駛員損傷最小的尋優(yōu)結(jié)果得到的座椅操控臺(tái)水平距離和腳踏板高度建立仿真工況，得到各目標(biāo)損傷的優(yōu)化結(jié)果，與優(yōu)化前的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見表4。從表4可以看出：A和D優(yōu)化后，除了駕駛員的頭部損傷外，其余部位的損傷誤差都小于10%，說明該優(yōu)化模型對(duì)除頭部損傷外其余部位的損傷都是有效的。

表4　優(yōu)化結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比

優(yōu)化后駕駛員頭部和胸部加速度時(shí)程曲線分別如圖5和圖6所示。從圖5和圖6可以看出：頭部損傷指標(biāo)HIC36為59.14g，出現(xiàn)在77～113 ms的時(shí)間間隔內(nèi)；胸部損傷指標(biāo)TC3ms為19.52g，出現(xiàn)在76～79 ms的時(shí)間間隔內(nèi)。

圖5　頭部加速度時(shí)程曲線

圖6　胸部加速度時(shí)程曲線

圖7和圖8分別為駕駛員頸部受力和力矩的時(shí)程曲線。由圖7和圖8可以看出：在碰撞的前半段時(shí)間內(nèi)，駕駛員頸部力和力矩是由頭部與胸部速度差造成的，在460 ms時(shí)頸部后仰角大，由于有頭枕的保護(hù)，頸部沒有發(fā)生更嚴(yán)重的后彎；頸部損傷指標(biāo)Nij為0.62，頸部損傷沒有超過標(biāo)準(zhǔn)值。

圖7　頸部受力時(shí)程曲線

圖8　頸部力矩時(shí)程曲線

優(yōu)化前與優(yōu)化后駕駛員的損傷指標(biāo)對(duì)比情況見表5。從表5可以看出：優(yōu)化后駕駛員的各部位損傷指標(biāo)都有較大的改進(jìn)；優(yōu)化后駕駛員的損傷指標(biāo)及運(yùn)動(dòng)形態(tài)均較好，驗(yàn)證了空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化的正確性與有效性。

表5　優(yōu)化前后駕駛員各部位損傷指標(biāo)

3　結(jié)　論

(1)對(duì)包括座椅操控臺(tái)水平距離、膝墊距離、操控臺(tái)截面厚度、腳踏板高度等司機(jī)室操控臺(tái)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和布局參數(shù)進(jìn)行正交試驗(yàn)和極差分析，得到座椅操控臺(tái)水平距離和腳踏板高度為影響駕駛員損傷的主要因素。

(2)當(dāng)最優(yōu)的膝墊距離和操控臺(tái)截面厚度分別為420和170 mm時(shí)，對(duì)駕駛員各損傷指標(biāo)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化的結(jié)果表明，當(dāng)座椅操控臺(tái)水平距離為450 mm、腳踏板高度為250 mm時(shí)駕駛員的損傷最大；當(dāng)座椅操控臺(tái)水平距離為368 mm、腳踏板高度為250 mm時(shí)駕駛員的損傷最小。

(3)遺傳算法的尋優(yōu)結(jié)果與數(shù)值仿真的結(jié)果吻合較好，駕駛員各個(gè)部位的損傷誤差都小于10%。對(duì)司機(jī)室操控臺(tái)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和布局參數(shù)優(yōu)化后，駕駛員的各損傷指標(biāo)及運(yùn)動(dòng)形態(tài)較好，驗(yàn)證了空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化的正確性與有效性。優(yōu)化后的結(jié)果與優(yōu)化前相比，頸部損傷下降了31.9%、胸部損傷下降了32.3%、脛骨指數(shù)下降了59.8%。

[2]TYRELL D. US Rail Equipment Crashworthiness Standards [J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part F: Journal of Rail and Rapid Transit, 2002, 216(2): 123-130.

[3]王文斌, 張光偉, 趙洪倫, 等. 高速列車座椅間距對(duì)乘員二次碰撞傷害的影響 [J]. 計(jì)算機(jī)輔助工程, 2008, 17(2): 1-3.

(WANG Wenbin, ZHANG Guangwei, ZHAO Honglun, et al. Second Impact Effect of Chair Distance of High-Speed Train on Occupant Injury[J].Computer Aided Engineering, 2008, 17(2): 1-3. in Chinese)

[4]謝素超, 周輝. 基于Kriging法的鐵道車輛客室結(jié)構(gòu)優(yōu)化 [J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版, 2012, 43(5):1990-1998.

(XIE Suchao, ZHOU Hui. Optimization on Passenger Compartment Structure of Railway Vehicle Based on Kriging Method [J]. Journal of Central South University：Science and Technology，2012, 43(5):1990-1998. in Chinese)

[5]International Union of Railways. UIC 651-2002 Layout of Driver’s Cabs in Locomotives, Railcars, Multiple Unit Trains and Driving Trailers [S]. Paris: UIC, 2002.

[6]Federal Motor Vehicle Carrier Safety Administration. FMVSS208 Occupant Crash Protection[S].Washington: US Department of Transportation,2002.

[7]Association of Train Operation Companies. ATOC Vehicle Standard AV/ST 9001 Vehicle Interior Crashworthiness [S].London: ATOC, 2002.

[8]張維剛,廖興濤,鐘志華.基于逐步回歸模型的汽車碰撞安全性多目標(biāo)優(yōu)化 [J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2007,43(8): 142-147.

(ZHANG Weigang, LIAO Xingtao, ZHONG Zhihua. Multi-Objective Optimization for Crash Safety Design of Vehicles Using Stepwise Regression Model [J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2007, 43(8): 142-147. in Chinese)

[9]謝素超, 田紅旗. 鐵道車輛承載吸能結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[J]. 中國(guó)鐵道科學(xué), 2012, 33(6):60-68.

(XIE Suchao, TIAN Hongqi. Optimization Research on the Energy Absorbing Bearing Structure of Railway Vehicle [J]. China Railway Science, 2012, 33(6):60-68. in Chinese)

[10]FORSBERG J, NILSSON L. Evaluation of Response Surface Methodologies Used in Crashworthiness Optimization [J]. International Journal of Impact Engineering, 2006, 32(3): 759-777.

[11]FORSBERG J, NILSSON L. On Polynomial Response Surfaces and Kriging for Use in Structural Optimization of Crashworthiness [J]. Structural and Multidisciplinary Optimization, 2005, 29 (3):232-243.