王科飛，張春玉，楊青，顏凌波，程林，徐唐杰

(1. 中國長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062；2. 湖南賽孚汽車科技股份有限公司，湖南 長沙 410205；3. 湖南大學(xué) 汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410082)

軌道客車運(yùn)行速度高，載客多，一旦發(fā)生碰撞事故傷亡非常嚴(yán)重[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅2010年1月到2012年3月的2年多時(shí)間里，世界范圍內(nèi)就發(fā)生數(shù)十起列車碰撞事故，其中不乏特大碰撞事故[2]。列車碰撞事故一旦發(fā)生，將給乘員帶來巨大的傷害[3]。20 世紀(jì)80年代，歐美就開始對(duì)鐵路機(jī)車車輛碰撞安全進(jìn)行了研究，并頒布了一系列標(biāo)準(zhǔn)[4]。而我國對(duì)軌道列車被動(dòng)安全系統(tǒng)性研究不足，尚未形成較完整的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[5]。20 世紀(jì)90年代，美國FRA 進(jìn)行了大量列車碰撞試驗(yàn)和仿真研究[6-10]。從1999年11月開始，在科羅拉多的美國交通運(yùn)輸技術(shù)中心開展了多次整車碰撞試驗(yàn)，重點(diǎn)研究了單節(jié)車輛與剛性墻、機(jī)車與機(jī)車、機(jī)車與車輛、車輛與車輛、列車對(duì)列車的碰撞，以及列車發(fā)生碰撞后乘客的二次碰撞特性[11]。國內(nèi)對(duì)于列車碰撞及列車乘員的二次碰撞傷害研究起步較晚，2019年8月，中車四方股份公司進(jìn)行了速度為52 km/h的高速列車整車碰撞試驗(yàn)，這也是國內(nèi)首次實(shí)車+假人配置的碰撞試驗(yàn)[12]。對(duì)于列車乘員二次碰撞傷害研究的假人，前期多用汽車碰撞假人代替，最典型的是Hybrid ⅠⅠⅠ-50th 假人。由于列車乘員乘坐空間的設(shè)計(jì)與汽車乘坐空間設(shè)計(jì)不同[13]，在發(fā)生碰撞事故時(shí)，對(duì)乘員造成的損傷部位也會(huì)有所不同，因此需要針對(duì)列車乘坐空間設(shè)計(jì)出更符合列車碰撞試驗(yàn)所需要的假人。目前，國外已經(jīng)開發(fā)出了Hybrid ⅠⅠⅠ-50th-RS 假 人，并 已 用 于 列 車 碰 撞 研究[14]。而國內(nèi)雖然對(duì)列車乘員的二次碰撞傷害有些研究，但目前沒有專門的針對(duì)列車二次碰撞傷害研究的假人，主要還是采用Hybrid Ⅲ-50th 假人進(jìn)行仿真研究，其研究的損傷部位也主要停留在頭部、頸部和胸部[15-17]。由于國外對(duì)此技術(shù)的壟斷、國外假人費(fèi)用昂貴以及軌道交通安全測試的迫切需要，為了避免國內(nèi)出現(xiàn)“無人可用”的尷尬境地，開發(fā)出自己的RS 假人就顯得尤為重要，這對(duì)于我國軌道交通安全以及在仿生假人領(lǐng)域的話語權(quán)有著重要意義，對(duì)提升我國綜合國力有著重要的積極作用。列車乘坐空間內(nèi)一般都安裝有小桌板，如圖1所示，列車發(fā)生碰撞時(shí)，人體腹部撞擊到小桌板成為常見的損傷之一[18]。為了更好的反映人體在列車碰撞時(shí)腹部損傷情況，需提高假人腹部的仿生度?，F(xiàn)有的Hybrid Ⅲ-50th 假人，其腹部為發(fā)泡的聚氨酯加PVC 皮膚，其沒有測量腹部入侵的傳感器，不能反映出腹部的損傷。參考國外Hybrid Ⅲ-50th-RS 假人設(shè)計(jì)[19]，將假人腹部分為上下2部分，并且分別配有相應(yīng)的位移傳感器。本文則主要是針對(duì)假人上腹部沖擊試驗(yàn)進(jìn)行探究，并最終確定了符合碰撞要求的假人上腹部。

圖1 列車乘員乘坐空間Fig.1 Passenger space of train

1 上腹部拉桿位移傳感器介紹

Hybrid ⅠⅠⅠ-50th 假人上腹部位移傳感器為三向位移傳感器，由一個(gè)拉桿位移傳感器和2個(gè)角度傳感器組成，可用于測量假人上腹部在沖擊試驗(yàn)中的空間位移。其中，拉桿位移傳感器拉桿沿著假人上腹部孔洞中伸出，通過萬向節(jié)用螺釘與載荷分配板連接，可測量假人上腹部沿拉桿方向的壓縮位移，2 個(gè)角度傳感器分別測量拉桿位移傳感器繞Y軸和Z 軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。根據(jù)3 個(gè)傳感器的空間位置關(guān)系，參考假人坐標(biāo)系的相關(guān)規(guī)定及傳感器坐標(biāo)定義研究[20]，可計(jì)算出假人上腹部的空間位移及沿X軸、Y軸、Z軸3 個(gè)方向的分位移。上腹部位移傳感器的結(jié)構(gòu)及實(shí)物如圖2所示。

圖2 上腹部位移傳感器Fig.2 Upper abdomen displacement sensor

2 上腹部沖擊試驗(yàn)介紹

假人在用于整車碰撞之前，需對(duì)假人的各個(gè)部位通過指定的試驗(yàn)方法，考察它們在規(guī)定試驗(yàn)條件下內(nèi)部傳感器測得的加速度、力值和位移變形量是否在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，即是否滿足生物力學(xué)響應(yīng)特性[21]。目前汽車碰撞試驗(yàn)中常用的Hybrid ⅠⅠⅠ-50th 假人的腹部為發(fā)泡的聚氨酯加PVC 皮膚，并且沒有針對(duì)該腹部的標(biāo)定試驗(yàn)，而國外雖已開發(fā)設(shè)計(jì)出Hybrid Ⅲ-50th-RS 假人，但僅有少量相關(guān)的研究文獻(xiàn)，尚未形成列車碰撞假人標(biāo)定試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)。THOR 假人是繼Hybrid ⅠⅠⅠ-50th 假人之后較為先進(jìn)的一款假人，其腹部的設(shè)計(jì)分為上腹部和下腹部2 個(gè)模塊，本文主要是參考THOR-NT假人及國外Hybrid Ⅲ-50th-RS 假人對(duì)上腹部的標(biāo)定試驗(yàn)進(jìn)行探究。

參考THOR 假人生物力學(xué)相應(yīng)的研究，假人上腹部沖擊響應(yīng)要求是由Nusholtz基于方向盤接觸碰撞L2 區(qū)域而開發(fā)的數(shù)據(jù)得出的。假人上腹部沖擊力經(jīng)過5 220 N～6 380 N區(qū)間，位移經(jīng)過41 mm～50 mm區(qū)間，其中假人上腹部沖擊力和位移曲線需要穿過所要求的范圍曲線，如圖3 所示[22]。假人的上腹部標(biāo)定利用方向盤沖擊器以8.0 m/s 的速度撞擊假人上腹部。其中，方向盤沖擊器總質(zhì)量為18 kg，前端為一方向盤形狀沖擊器，直徑為26.7 mm，相對(duì)于垂直面呈30°角，如圖4所示，后端為一圓柱擺錘[23-26]。做沖擊試驗(yàn)前，需將假人置于20.6 ℃～22.2 ℃，濕度10%～70%的環(huán)境中4 h以上，試驗(yàn)環(huán)境與此相同。試驗(yàn)時(shí)調(diào)整假人坐姿，使假人關(guān)于擺錘中心面左右對(duì)稱，假人下肢水平拉伸展開，上肢水平向前伸展，無后背支撐。每2次試驗(yàn)之間時(shí)間間隔不少于30 min[27]。通過裝在擺錘后端的加速度傳感器來獲得擺錘沖擊加速度，計(jì)算得到?jīng)_擊力大小，上腹部位移是通過假人左右2個(gè)上腹部位移傳感器測得，計(jì)算平均值。

圖3 上腹部沖擊力和位移范圍曲線Fig.3 Force-displacement corridor for the upper abdomen

圖4 方向盤沖擊器的形狀和尺寸Fig.4 Shape and size of the steering wheel impactor

3 上腹部沖擊試驗(yàn)探究

通過搜集文獻(xiàn)，結(jié)合現(xiàn)有的材料，將假人上腹部采用前層泡沫、中層泡沫和后層泡沫的“三層式”結(jié)構(gòu)，如圖5所示。其中，前層采用聚氨酯泡沫，中層采用三元乙丙泡沫，后層采用丁晴橡膠，并制作了不同硬度的前層泡沫和中層泡沫進(jìn)行研究。通過不同條件下的對(duì)比測試，分別探究了假人坐姿、壓力分配板與腹部袋子連接、假人有無穿胸部皮膚以及“三層式”和“四層式”腹部結(jié)構(gòu)等因素對(duì)試驗(yàn)的影響，試驗(yàn)示意圖如圖6所示。

圖5 “三層式”上腹部Fig.5 “Three-layer”upper abdomen

圖6 上腹部沖擊試驗(yàn)示意圖Fig.6 Schematic diagram of upper abdominal impact test

3.1 假人坐姿對(duì)試驗(yàn)的影響

首先，試驗(yàn)以假人胸部肋骨水平為準(zhǔn)，調(diào)節(jié)假人坐姿，對(duì)2 種硬度的前層泡沫和2 種硬度的中層泡沫進(jìn)行組合試驗(yàn)，每種組合進(jìn)行2次試驗(yàn)，且相鄰2 次試驗(yàn)的時(shí)間間隔不少于30 min，以驗(yàn)證數(shù)據(jù)穩(wěn)定性，泡沫硬度采用邵氏C 硬度計(jì)進(jìn)行測量，試驗(yàn)組記為A 組，分別為A11，A12，A21，A22，A31和A32。試驗(yàn)的初始條件如表1所示。

表1 試驗(yàn)設(shè)置初始條件Table 1 Ⅰnitial conditions of the test setup

根據(jù)試驗(yàn)要求，用MⅠNDAU 32 數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集擺錘加速度、速度、上腹部拉桿位移傳感器數(shù) 據(jù)，用Hypergraph 按 照SAE J211-ⅠSO6487 對(duì) 所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波后再處理，所有通道濾波等級(jí)采用CFC180 進(jìn)行濾波[19]，處理后的上腹部力和位移情況如圖7所示。

圖7 A11-A32組試驗(yàn)力和位移曲線Fig.7 Force and displacement curves of A11-A32 groups

分析圖7 可知：調(diào)節(jié)假人胸部肋骨水平時(shí)，3種硬度組合的上腹部幾乎都不能達(dá)到試驗(yàn)要求。3種硬度組合的上腹部均顯示偏硬，上腹部壓縮位移太小，很難達(dá)到41～50 mm 的范圍?？紤]到已將假人上腹部前層泡沫和中間泡沫均已做得很軟，而且上腹部材料變得很軟后位移反而減小。分析該種假人坐姿方式可能是由于在沖擊過程中，胸部下端肋骨阻止了方向盤沖擊器對(duì)腹部的壓縮，造成腹部沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)不能真實(shí)反映其響應(yīng)特性，因此，需重新調(diào)整假人坐姿，使假人上腹部保持水平進(jìn)行試驗(yàn)。參照A11組試驗(yàn)，按照上腹部“前硬中硬”的方式，布置好假人繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)。此次試驗(yàn)記為A4，采用同樣的方式采集和處理數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖8所示。

圖8 A5組試驗(yàn)力和位移曲線Fig.8 Force and displacement curves of A5 groups

分析圖8 可知：對(duì)比A11 組和A4 組試驗(yàn)曲線，改變假人坐姿使假人保持上腹部水平后，在相同試驗(yàn)工況下，假人上腹部位移有了較大提高，已經(jīng)基本滿足試驗(yàn)要求，但還顯示偏硬的性質(zhì)。為了探索更好的效果，更換較軟的上腹部中層泡沫繼續(xù)試驗(yàn)。此次試驗(yàn)記為A5 組，采用同樣的方式采集和處理數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖8所示。

分析圖8，對(duì)比A4 組和A5 組試驗(yàn)曲線該組試驗(yàn)數(shù)據(jù)明顯異常，位移小了許多，而沖擊力變化不大。分析認(rèn)為可能是傳感器前端連接萬向節(jié)的螺釘未與腹袋連接，導(dǎo)致方向盤沖擊器沖擊假人上腹部時(shí)腹部雖然壓縮但是未帶動(dòng)傳感器桿壓縮，進(jìn)而導(dǎo)致傳感器測得的位移不真實(shí)，較實(shí)際位移明顯偏小。

3.2 壓力分配板與腹袋是否連接對(duì)試驗(yàn)的影響

為驗(yàn)證上述分析，探究壓力分配板與腹袋是否連接對(duì)試驗(yàn)的影響，在與傳感器萬向節(jié)連接的螺釘上增加一枚墊片，墊片和壓力分配板分別放在腹袋里面和外面，用于夾緊腹袋，使得方向盤沖擊器沖擊假人上腹部時(shí)傳感器桿能夠隨著腹部壓縮而伸縮，確保測得假人上腹部壓縮位移為真實(shí)值。試驗(yàn)時(shí)，假人未穿胸部皮膚，參照A21 組試驗(yàn)，按照上腹部“前硬中軟”的方式，分別將壓力分配板放在腹袋里面和外面，用于驗(yàn)證分析以及探究壓力分配板位于腹袋內(nèi)外側(cè)對(duì)測得假人的上腹部壓縮位移的影響。試驗(yàn)分別記為B1 組和B2 組，采用同樣的方式采集和處理數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖9所示。

圖9 B1，B2組試驗(yàn)力和位移曲線Fig.9 Force and displacement curves of B1,B2 groups

分析圖9 可知：對(duì)比A21 組與B1 組數(shù)據(jù)曲線，用墊片和壓力分配板將腹袋夾緊，假人上腹部符合要求。對(duì)比B1組和B2組試驗(yàn)曲線，壓力分配板位于腹袋內(nèi)側(cè)還是外側(cè)，上腹部的峰值沖擊力和最大位移差別不大，說明壓力分配板位于腹袋內(nèi)側(cè)還是外側(cè)對(duì)試驗(yàn)的影響不大。同時(shí)這也說明了4.1 節(jié)的分析是合理的，試驗(yàn)時(shí)需將壓力分配板與腹袋連接，以保證拉桿位移傳感器測得的位移是真實(shí)的上腹部壓縮位移。

3.3 假人穿胸部皮膚和衣服對(duì)試驗(yàn)的影響

上述試驗(yàn)均是在未穿胸部皮膚和衣服的條件下進(jìn)行的，為驗(yàn)證假人穿胸部皮膚和衣服對(duì)試驗(yàn)的影響，在上述B1和B2組試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，分別給假人穿上胸部皮膚以及穿上胸部皮膚和衣服進(jìn)行試驗(yàn)，記為C1和C2組，采用同樣的方式采集和處理數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖10所示。

圖10 C1，C2組試驗(yàn)力和位移曲線Fig.10 Force and displacement curves of C1,C2 groups

分析圖10 可知：假人穿上胸部皮膚和衣服后仍符合要求，峰值力減小了1.1 kN 左右，位移減小了4 mm 左右。穿上胸部皮膚后峰值位移和未穿上皮膚的峰值位移相差不大。但在穿上胸部皮膚后發(fā)現(xiàn)，傳感器后端與胸部皮膚距離較近，在試驗(yàn)時(shí)或者真實(shí)碰撞環(huán)境中傳感器容易觸及胸部皮膚，影響試驗(yàn)結(jié)果，甚至可能會(huì)損壞傳感器。鑒于此，本研究考慮在上腹部后層增加一塊丁晴橡膠板，采用“前層+中層+后層1+后層2”的“四層式”上腹部結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)，如圖11所示。

圖11 “四層式”上腹部結(jié)構(gòu)Fig.11 Structure of the“four-layer”upper abdomen

3.4 “三層式”上腹部和“四層式”上腹部對(duì)試驗(yàn)的影響

在上述試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，假人上腹部采用“四層式”，同時(shí)拉桿位移傳感器往假人前方平移一定位移布置，以確保拉桿位移傳感器后端與胸部皮膚留有較大空間，防止沖擊時(shí)傳感器接觸胸部皮膚，影響試驗(yàn)結(jié)果。采用“前硬中軟”和“前軟中軟”的組合進(jìn)行試驗(yàn)，以探究“三層式”上腹部和“四層式”上腹部對(duì)試驗(yàn)的影響，試驗(yàn)記為D1和D2組，采用同樣的方式采集和處理數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖12所示。

圖12 D1，D2組試驗(yàn)力和位移曲線Fig.12 Force and displacement curves of D1,D2 groups

比較C1，D1 組試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在上腹部后層增加一塊丁晴橡膠板后，峰值力增大了約1.54 kN，峰值位移減小了約4.43 mm，導(dǎo)致上腹部試驗(yàn)數(shù)據(jù)不合格，顯示出“較硬”的性質(zhì)。由D2 組試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，更換較軟的上腹部前層泡沫后，在同樣工況下，上腹部峰值力和位移增大，試驗(yàn)數(shù)據(jù)合格，說明此種組合的上腹部符合要求。

4 結(jié)論

1) 進(jìn)行上腹部沖擊試驗(yàn)時(shí)，以假人胸部肋骨水平為準(zhǔn)調(diào)整假人坐姿無法滿足試驗(yàn)要求，所得上腹部峰值位移數(shù)據(jù)異常，需調(diào)整假人坐姿使假人上腹部水平進(jìn)行試驗(yàn)。

2) 進(jìn)行上腹部沖擊試驗(yàn)時(shí)需保持壓力分配板與腹袋連接，確保拉桿位移傳感器測得的位移與假人上腹部壓縮的真實(shí)位移相符，且壓力分配板位于腹袋內(nèi)側(cè)還是外側(cè)對(duì)上腹部峰值力和峰值位移影響不大。

3) 試驗(yàn)時(shí)假人穿上胸部皮膚與不穿胸部皮膚相比，峰值力減小，峰值位移也減??；假人穿上衣服和不穿衣服相比，峰值力變化不大，峰值位移增大。

4) “四層式”上腹部與“三層式”上腹部相比，試驗(yàn)時(shí)峰值力較大，峰值位移較小，顯示出較硬的性質(zhì)。

5) 改變上腹部前層泡沫和中層泡沫的硬度，可以調(diào)節(jié)試驗(yàn)時(shí)上腹部峰值力和峰值位移的大小，本研究最終采用的“前軟中軟”的上腹部前層泡沫和中層泡沫較為符合試驗(yàn)要求。

本文研究成果對(duì)Hybrid Ⅲ-50th-RS 假人上腹部的研究及改進(jìn)提供了重要的試驗(yàn)依據(jù)，對(duì)Hybrid Ⅲ-50th-RS假人上腹部沖擊試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)制定有一定的參考價(jià)值，也有助于針對(duì)列車碰撞試驗(yàn)用假人的整體假人開發(fā)，同時(shí)對(duì)提升我國在軌道交通安全領(lǐng)域的話語權(quán)有著積極作用。然而，由于本文是以THOR-NT 假人仿生性能研究為基礎(chǔ)進(jìn)行的Hybrid Ⅲ-50th-RS 假人上腹部試驗(yàn)探究，因此該假人整體開發(fā)后，還需結(jié)合尸體數(shù)據(jù)，對(duì)各部位進(jìn)行進(jìn)一步的生物力學(xué)響應(yīng)驗(yàn)證研究，以使假人各部位及其整體更加符合人體生物力學(xué)動(dòng)態(tài)響應(yīng)。