周俊先,陳秉智

(大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028) *

基于二次碰撞簡化模型的地鐵乘員損傷研究

周俊先,陳秉智

(大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028)*

以兩列地鐵車輛碰撞仿真所得響應作為邊界條件，構建局部乘坐環(huán)境模型進行單獨的二次碰撞分析.以FMVSS208標準為損傷預測依據(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坐姿假人損傷的影響.仿真結果表明：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大易導致相關部位骨骼和內部臟器的損傷，同一座椅上的假人數(shù)量變化直接影響假人碰撞響應峰值.合理的座椅端部布置可以起到保護乘客的作用，相反，不科學的布置方式也會加重對乘客的傷害，假人碰撞響應的力學參數(shù)最大值可以作為地鐵內飾結構設計的依據(jù).

地鐵車輛；二次碰撞；假人；損傷

0 引言

由于運行和乘坐方式的局限，地鐵車輛客室內往往不具備像汽車一樣完備的被動安全設施，一旦發(fā)生事故，乘員傷亡概率往往較高.

國內外針對軌道列車的被動安全防護技術、降低二次碰撞對乘員的損傷方面均有相關研究.美國Volpe研究中心以實車碰撞與有限元仿真相結合的方式對軌道列車的被動安全性展開研究.Tyrell、Severson、Marquis等[1]主要研究二次碰撞中車輛內飾對乘員損傷的影響，通過評價假人損傷響應指標對車輛內飾提出優(yōu)化建議，相關研究成果對美國該類標準的修改和發(fā)布起到一定推進作用.歐盟的安全有軌電車項目[2]對司機室和客室部分均提出了被動安全性的相關要求，通過有限元多剛體假人仿真分析方法預測了乘員的損傷程度，并對車輛內飾進行改進.國內運用假人進行乘員損傷預測主要集中在汽車領域.軌道列車領域則起步較晚，2004年鐵道科學研究院的劉金朝、房加志等[3]通過有限元分析方法研究了二次碰撞初速度對乘員的損傷影響，并優(yōu)化了車體結構，降低了二次碰撞中假人的力學響應峰值.2015年，北京交通大學的王存義、張樂樂等[4]運用有限元的方法，仿真分析了不同坐姿對假人二次碰撞傷害的影響，得出列車客室的布置和結構設計優(yōu)化方案.

實際碰撞事故中人員損傷是由作用于人體關鍵部位的集中負荷引起，這與多種外界因素有關.如車廂內飾材料、內飾布置、乘客坐姿、二次碰撞初速度、車體橫向擺動和垂向沉浮等因素共同作用或幾種因素的隨機組合.本文將構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果作為邊界條件，探討多種變量對坐姿假人損傷的影響.

1 假人損傷判據(jù)

總體來說，目前世界范圍內軌道車輛乘員碰撞損傷方面的標準還很少，且多數(shù)相關標準針對乘員損傷和車輛被動安全性方面的規(guī)定和要求也并不詳盡和完善.多數(shù)國家還是參考借鑒了汽車行業(yè)相關的乘員損傷標準，其中最有代表性的是美國道路交通安全局(NHTSA)制定的美國機動車安全法規(guī).

2007年歐洲標準化委員會通過了EN15227，該標準對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規(guī)定.英國列車運營公司協(xié)會(ATOC)AV/ST9001《Vehicle Interior Crashworthiness》該標準基于大量事故的統(tǒng)計分析，考慮到客室內部結構變化和車輛的碰撞響應與人體承受極限的關聯(lián)，為提高車體被動安全性，降低乘員因二次碰撞而導致傷亡的概率，對于軌道車輛的內飾首次提出了具體要求，因此，也得到了廣泛的應用.

根據(jù)軌道車輛碰撞事故中的乘員傷亡情況統(tǒng)計分析，顱腦損傷、胸部損傷、四肢損傷最為多發(fā)且危害性較大[5].英國鐵道車輛內部耐撞擊性能標準通過調查發(fā)現(xiàn)由于二次碰撞導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.本文將采用頭部損傷判據(jù).胸部最大加速度(3 ms內)、脛骨所受壓力預測乘員的損傷狀況，其中頭部損傷判據(jù)為

(1)

式中:t1、t2為碰撞過程中任意兩個時刻；a(t)為碰撞過程頭部質心合成加速度.美國的FMVSS208標準要求HIC值必須低于1 000，英國的AV/ST9001還要求頭部重心的合成加速度在持續(xù)時間多于3ms的部分不得超過80g.

胸腔臟器和脊柱的損傷與胸部加速度密切相關，F(xiàn)MVSS208標準中規(guī)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[6].

2 試驗方法校驗

2.1 實驗方法概述

運用假人對軌道列車被動安全性進行評價最常見的方法是將假人直接安放在車輛模型上進行整車大變形仿真分析.該方法基于列車整體碰撞響應對二次碰撞結果的影響，得到假人損傷情況具有一定參考價值，但是該方法由于模型龐大，耗費時間，不利于反復修改計算，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]進行二次碰撞試驗，若采用該方法可構建列車局部乘坐環(huán)境模型，并對該模型施加上述脈沖曲線以評價假人的碰撞響應.該方法由于模型較小，可以滿足多次修改計算，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.

結合以上兩種方法的優(yōu)點，本文將構建局部乘坐環(huán)境模型,并以整車碰撞響應結果作為邊界條件進行二次碰撞試驗,試驗流程如圖1所示.

圖1 實驗方法流程圖

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，將劃分好網(wǎng)格的座椅模型裝配至TC車側墻內壁，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內設置參考點，其他車廂特定區(qū)域也設置參考點.根據(jù)EN15227標準的有關規(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(假人位于運動編組列車)，碰撞時間設定為800ms.

圖2 車輛模型圖

在上述試驗方法上，列車實現(xiàn)了碰撞全過程的仿真，如圖3，列車前端各級吸能裝置歷經(jīng)吸能、變形、失效，最終兩列車達到共速，碰撞過程結束.

(a)正面形變

(b)端部性能區(qū)域形變

將運動編組TC車中假人乘坐區(qū)域內參考點的縱向、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，由于假人在整個碰撞過程中并未與側墻發(fā)生接觸，而且考慮計算效率，故將側墻設為剛體.

圖4 局部乘坐環(huán)境模型

將參考點三個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，碰撞時間設為600ms.

2.4 響應比較

將假人頭部加速度曲線與整車碰撞中的假人響應進行比較.

兩次試驗中，假人的運動姿態(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一致，最大峰值相差不超過5%，說明通過構構局部乘坐環(huán)境進行假人損傷評估的方法可行而且具有一定可靠性.同時，該方法結構簡單，仿真計算所需時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假人的損傷影響時往往需要對模型進行多次修改、比較、反復計算.

圖5 假人頭部加速度比較

3 多種變量對于假人損傷的影響

3.1 地鐵座椅端部布置

國內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墻縱向布置.縱向布置座椅一般是6人座椅，為一個整體結構，對于常規(guī)坐姿的乘客而言，一般二次碰撞發(fā)生時，與人體發(fā)生接觸的結構包括座椅椅面、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，鋁鑄件端板強度好、壽命長[8]；玻璃鋼端板造型多變，重量輕.扶手采用不銹鋼材質，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有橫向扶手連接垂向扶手和側墻內壁，這種布置方法比較危險，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，當二次碰撞發(fā)生時與頭部和頸部產(chǎn)生剛性撞擊，產(chǎn)生較大集中負荷，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墻內壁，并裝有玻璃鋼屏風.

本文將選取兩種最有代表性的座椅端部布置方法進行比較，如圖6(a)中座椅端板采用三角形鋁合金材質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[9]，兩種布置方法中的座椅椅面均為不銹鋼材質，根據(jù)人機工程學的相關原理和與人體尺寸相關的標準進行設計，符合GB10000中的相關規(guī)定.

(a)端部三角形鋁合金端板

(b)端部玻璃鋼屏風

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的速度響應曲線，碰撞時間800ms(表1).

由圖7可以看出，座椅端部設置玻璃鋼屏風對假人頭部加速度響應的變化影響較大.由于一次碰撞開始后假人與座椅產(chǎn)生相對速度，假人運動至座椅端部時，鋁合金三角端板由于尺寸較小，只限制了假人肋部和髖關節(jié)的縱向位移，此時假

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，假人頭部有可能直接撞擊到垂向扶手.而玻璃鋼屏風會限制假人整個身體的縱向位移，使假人頭部和肩部直接與屏風發(fā)生撞擊，增加了頭部損傷的風險.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 假人頭部加速度對比

圖8 假人胸部加速度對比

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637370.771.85

3.2 乘客人數(shù)

在實際碰撞事故中，不但有乘客與車輛內飾產(chǎn)生接觸碰撞，也有乘客與乘客之間的相互作用，乘客與車廂內物體發(fā)生碰撞的同時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，對假人的損傷情況進行橫向和縱向對比，評價乘客人數(shù)對人員損傷的影響.

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的速度輸出曲線，碰撞時間800 ms.假人的編號如圖9中所示從左至右依次為Dummy1、Dummy2、Dummy3、Dummy4.

圖9 不同數(shù)量假人組合的運動姿態(tài)

由圖10和表2可見假人的各項響應從左到右依次遞減，碰撞開始時，四個假人幾乎是以相同狀態(tài)向前運行，320 ms左右，Dummy1與座椅端部發(fā)生碰撞接觸，停止與座椅的相對運動，頭部加速度與3ms內胸部加速度達到第一個波峰，此時由于慣性的作用其余假人繼續(xù)向前運行，依次發(fā)生接觸與擠壓，Dummy1所受壓力逐漸疊加，加速度達到最大峰值，Dummy2、Dummy3、Dummy4受到來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對比

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響應縱向比較

同理，在Dummy1的縱向比較(表3 )中可見，由于來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，由于在整個列車碰撞過程中發(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的相關規(guī)定，在8節(jié)編組中除了TC01車和MP02車是完全按照實際幾何模型建立有限元模型，其余車輛均采用簡化模型處理.將前兩節(jié)車廂的參考點速度曲線輸出作為局部乘坐環(huán)境模型的邊界條件.評價不同車廂在二次碰撞過程中對假人損傷的影響.

由圖12的頭部加速度對比圖和不同車廂中假人響應分析(表4 )可以看出，運動和靜止編組的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.說明兩列車頭車的碰撞響應比較對稱.碰撞發(fā)生后，主要監(jiān)控參數(shù)如速度、應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較大峰值出現(xiàn)的要比TC01車晚了150 ms左右，此時，假人與座椅端部發(fā)生接觸，在550 ms左右達到最大峰值，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TC01車，大腿與座椅端部的撞擊力減小.

圖12 不同車廂內假人頭部加速度

車廂HIC值3ms胸部最大加速度/g脛骨最大壓力/kN左右運動TC01132360.832.12運動MP02294400.761.89靜止TC01241500.811.99靜止MP02358440.581.55

4 結論

(1)運用整車大變形碰撞仿真方法研究多變量對假人損傷的影響十分耗時且模型復雜.本文采用構建局部乘坐環(huán)境模型進行二次碰撞分析的方法，通過設置局部乘坐環(huán)境模型的邊界條件保證假人響應的可靠性，并可以根據(jù)變量的不同對模型進行反復修改并計算，提高了假人二次碰撞仿真計算效率;

(2)地鐵車輛中影響坐姿乘客二次碰撞損傷的因素復雜，其中比較重要的是座椅端部布置.本文以兩種常見座椅端部布置方式為基礎，結合假人損傷情況，探討了地鐵車輛內飾中座椅端板、扶手、屏風的布置方式與乘客損傷程度的關系;

(3)我國地鐵車輛中最常見的是六人縱向座椅，座椅邊緣的座位由于靠近端部結構，在碰撞發(fā)生時最危險，且同一座椅中人數(shù)越多，座椅端部乘客損傷概率越高.車廂橫向擺動對假人的碰撞響應影響較大.位于橫向擺動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 基金項目：國家自然科學基金資助項目(11272070);中國鐵路總公司科學研究計劃資助項目(2015J007-H)

周俊先(1990-)，男，碩士研究生 ; 陳秉智(1971-)，男，教授，博士，主要從事車輛結構分析與現(xiàn)代設計方法的研究

A

E- mail:chenbingzhi06@hotmail.com.