基于二次碰撞简化模型的地铁乘员损伤研究

周俊先,陈秉智

(大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028) *

基于二次碰撞简化模型的地铁乘员损伤研究

周俊先,陈秉智

(大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028)*

以两列地铁车辆碰撞仿真所得响应作为边界条件，构建局部乘坐环境模型进行单独的二次碰撞分析.以FMVSS208标准为损伤预测依据，探讨了二次碰撞中座椅端部材料及布置方式、同一座椅上乘员人数变化、不同车厢这三种变量对坐姿假人损伤的影响.仿真结果表明：坐姿乘客在碰撞事故中损伤主要集中在头部和胸部，由于局部集中载荷过大易导致相关部位骨骼和内部脏器的损伤，同一座椅上的假人数量变化直接影响假人碰撞响应峰值.合理的座椅端部布置可以起到保护乘客的作用，相反，不科学的布置方式也会加重对乘客的伤害，假人碰撞响应的力学参数最大值可以作为地铁内饰结构设计的依据.

地铁车辆；二次碰撞；假人；损伤

0 引言

由于运行和乘坐方式的局限，地铁车辆客室内往往不具备像汽车一样完备的被动安全设施，一旦发生事故，乘员伤亡概率往往较高.

国内外针对轨道列车的被动安全防护技术、降低二次碰撞对乘员的损伤方面均有相关研究.美国Volpe研究中心以实车碰撞与有限元仿真相结合的方式对轨道列车的被动安全性展开研究.Tyrell、Severson、Marquis等[1]主要研究二次碰撞中车辆内饰对乘员损伤的影响，通过评价假人损伤响应指标对车辆内饰提出优化建议，相关研究成果对美国该类标准的修改和发布起到一定推进作用.欧盟的安全有轨电车项目[2]对司机室和客室部分均提出了被动安全性的相关要求，通过有限元多刚体假人仿真分析方法预测了乘员的损伤程度，并对车辆内饰进行改进.国内运用假人进行乘员损伤预测主要集中在汽车领域.轨道列车领域则起步较晚，2004年铁道科学研究院的刘金朝、房加志等[3]通过有限元分析方法研究了二次碰撞初速度对乘员的损伤影响，并优化了车体结构，降低了二次碰撞中假人的力学响应峰值.2015年，北京交通大学的王存义、张乐乐等[4]运用有限元的方法，仿真分析了不同坐姿对假人二次碰撞伤害的影响，得出列车客室的布置和结构设计优化方案.

实际碰撞事故中人员损伤是由作用于人体关键部位的集中负荷引起，这与多种外界因素有关.如车厢内饰材料、内饰布置、乘客坐姿、二次碰撞初速度、车体横向摆动和垂向沉浮等因素共同作用或几种因素的随机组合.本文将构建地铁车辆客室局部环境，以整列车的大变形碰撞仿真分析结果作为边界条件，探讨多种变量对坐姿假人损伤的影响.

1 假人损伤判据

总体来说，目前世界范围内轨道车辆乘员碰撞损伤方面的标准还很少，且多数相关标准针对乘员损伤和车辆被动安全性方面的规定和要求也并不详尽和完善.多数国家还是参考借鉴了汽车行业相关的乘员损伤标准，其中最有代表性的是美国道路交通安全局(NHTSA)制定的美国机动车安全法规.

2007年欧洲标准化委员会通过了EN15227，该标准对于轨道车辆碰撞事故中乘客区域生存空间的变化量和车辆平均最大加速度做了详细规定.英国列车运营公司协会(ATOC)AV/ST9001《Vehicle Interior Crashworthiness》该标准基于大量事故的统计分析，考虑到客室内部结构变化和车辆的碰撞响应与人体承受极限的关联，为提高车体被动安全性，降低乘员因二次碰撞而导致伤亡的概率，对于轨道车辆的内饰首次提出了具体要求，因此，也得到了广泛的应用.

根据轨道车辆碰撞事故中的乘员伤亡情况统计分析，颅脑损伤、胸部损伤、四肢损伤最为多发且危害性较大[5].英国铁道车辆内部耐撞击性能标准通过调查发现由于二次碰撞导致的乘员身体不同部位的受伤比例，其中头部占12%、腿部20%、胸部6%、脸部18%、手臂14%，由于假人无法记录脸和手臂的损伤，因此通常不把脸和手臂作为损伤指标.本文将采用头部损伤判据.胸部最大加速度(3 ms内)、胫骨所受压力预测乘员的损伤状况，其中头部损伤判据为

(1)

式中:t1、t2为碰撞过程中任意两个时刻；a(t)为碰撞过程头部质心合成加速度.美国的FMVSS208标准要求HIC值必须低于1 000，英国的AV/ST9001还要求头部重心的合成加速度在持续时间多于3ms的部分不得超过80g.

胸腔脏器和脊柱的损伤与胸部加速度密切相关，FMVSS208标准中规定在二次碰撞过程中3ms内的人体胸部最大加速度峰值不得超过60g.腿部评价指标主要考虑大腿所受最大压缩力,响应值不能超过7.56kN[6].

2 试验方法校验

2.1 实验方法概述

运用假人对轨道列车被动安全性进行评价最常见的方法是将假人直接安放在车辆模型上进行整车大变形仿真分析.该方法基于列车整体碰撞响应对二次碰撞结果的影响，得到假人损伤情况具有一定参考价值，但是该方法由于模型庞大，耗费时间，不利于反复修改计算，效率较低.另一种被广泛采用的方法是根据碰撞冲击脉冲曲线[7]进行二次碰撞试验，若采用该方法可构建列车局部乘坐环境模型，并对该模型施加上述脉冲曲线以评价假人的碰撞响应.该方法由于模型较小，可以满足多次修改计算，提高了仿真分析的效率，但该方法采用的脉冲曲线范围较宽泛而并不具体，且只考虑了纵向冲击脉冲，适合作为假人碰撞的定性分析方法.

结合以上两种方法的优点，本文将构建局部乘坐环境模型,并以整车碰撞响应结果作为边界条件进行二次碰撞试验,试验流程如图1所示.

图1 实验方法流程图

2.2 整列车大变形碰撞仿真分析

图2中的车辆模型是以某地铁车辆的整车有限元模型为基础，将划分好网格的座椅模型装配至TC车侧墙内壁，放置好假人模型(本文采用的是HybridⅢ型假人)，在靠近假人区域0.5m内设置参考点，其他车厢特定区域也设置参考点.根据EN15227标准的有关规定，一列整备状态下的8节编组列车以25km/h速度撞击另一列完全相同的静止列车(假人位于运动编组列车)，碰撞时间设定为800ms.

图2 车辆模型图

在上述试验方法上，列车实现了碰撞全过程的仿真，如图3，列车前端各级吸能装置历经吸能、变形、失效，最终两列车达到共速，碰撞过程结束.

(a)正面形变

(b)端部性能区域形变

将运动编组TC车中假人乘坐区域内参考点的纵向、横向、垂向速度曲线输出，作为局部乘坐环境模型的边界条件

2.3 构建局部乘坐环境模型

图4给出的局部乘坐环境模型是基于图2中的车辆模型建立的.其中地板，座椅的尺寸与厚度均与原车保持一致，由于假人在整个碰撞过程中并未与侧墙发生接触，而且考虑计算效率，故将侧墙设为刚体.

图4 局部乘坐环境模型

将参考点三个方向速度曲线作为子环境的边界条件，并给假人以25km/h的纵向初速度，碰撞时间设为600ms.

2.4 响应比较

将假人头部加速度曲线与整车碰撞中的假人响应进行比较.

两次试验中，假人的运动姿态基本保持一致.由图5可以看出，局部乘坐环境中假人头部加速度曲线与整车中假人保持趋势一致，最大峰值相差不超过5%，说明通过构构局部乘坐环境进行假人损伤评估的方法可行而且具有一定可靠性.同时，该方法结构简单，仿真计算所需时间与整列车碰撞仿真分析相比，前者只需要后者的6‰左右，而且在分析多因素对假人的损伤影响时往往需要对模型进行多次修改、比较、反复计算.

图5 假人头部加速度比较

3 多种变量对于假人损伤的影响

3.1 地铁座椅端部布置

国内城市的地铁车辆为保证其载客量的最大化，客室座椅一般沿车体侧墙纵向布置.纵向布置座椅一般是6人座椅，为一个整体结构，对于常规坐姿的乘客而言，一般二次碰撞发生时，与人体发生接触的结构包括座椅椅面、座椅端板、地板和扶手.座椅端板的材料分为铝铸件和玻璃钢两种，铝铸件端板强度好、寿命长[8]；玻璃钢端板造型多变，重量轻.扶手采用不锈钢材质，通常有垂向扶手一端连接座椅端板，另一端连接车体顶棚，而且位于座椅上方还设有横向扶手连接垂向扶手和侧墙内壁，这种布置方法比较危险，由于横向扶手的高度正好位于坐姿乘客头部和颈部区域，当二次碰撞发生时与头部和颈部产生刚性撞击，产生较大集中负荷，极大的增加了位于座椅端部乘客的伤亡概率.另一种常见的布置是由弧形扶手一端连接座椅端板另一端连接车体侧墙内壁，并装有玻璃钢屏风.

本文将选取两种最有代表性的座椅端部布置方法进行比较，如图6(a)中座椅端板采用三角形铝合金材质并配有垂向不锈钢扶手；图6(b)中座椅端部采用玻璃钢屏风[9]，两种布置方法中的座椅椅面均为不锈钢材质，根据人机工程学的相关原理和与人体尺寸相关的标准进行设计，符合GB10000中的相关规定.

(a)端部三角形铝合金端板

(b)端部玻璃钢屏风

两种座椅端部布置方法的子环境边界条件采用相同参考点的速度响应曲线，碰撞时间800ms(表1).

由图7可以看出，座椅端部设置玻璃钢屏风对假人头部加速度响应的变化影响较大.由于一次碰撞开始后假人与座椅产生相对速度，假人运动至座椅端部时，铝合金三角端板由于尺寸较小，只限制了假人肋部和髋关节的纵向位移，此时假

人重心向上产生偏移，起到一定的缓冲作用，但是由于车辆发生一次碰撞后车体有较大的横向波动，假人头部有可能直接撞击到垂向扶手.而玻璃钢屏风会限制假人整个身体的纵向位移，使假人头部和肩部直接与屏风发生撞击，增加了头部损伤的风险.而假人的3ms胸部最大加速度和大腿所受最大压力并不因座椅端部布置的不同而产生较大差异，如图8所示.

图7 假人头部加速度对比

图8 假人胸部加速度对比

端部布置HIC值3ms胸部最大加速度/g腿部最大压力/kN左右铝合金端板132360.832.12玻璃钢屏风637370.771.85

3.2 乘客人数

在实际碰撞事故中，不但有乘客与车辆内饰产生接触碰撞，也有乘客与乘客之间的相互作用，乘客与车厢内物体发生碰撞的同时还与其他乘客相互挤压、摩擦，致使乘客的损伤情况产生变化，本节将采用最多四位乘客最少一位乘客的不同组合方式，对假人的损伤情况进行横向和纵向对比，评价乘客人数对人员损伤的影响.

各种数量假人组合的局部乘坐环境模型边界条件采用同一参考点的速度输出曲线，碰撞时间800 ms.假人的编号如图9中所示从左至右依次为Dummy1、Dummy2、Dummy3、Dummy4.

图9 不同数量假人组合的运动姿态

由图10和表2可见假人的各项响应从左到右依次递减，碰撞开始时，四个假人几乎是以相同状态向前运行，320 ms左右，Dummy1与座椅端部发生碰撞接触，停止与座椅的相对运动，头部加速度与3ms内胸部加速度达到第一个波峰，此时由于惯性的作用其余假人继续向前运行，依次发生接触与挤压，Dummy1所受压力逐渐叠加，加速度达到最大峰值，Dummy2、Dummy3、Dummy4受到来自其他假人的压力力依次减小，体现在加速度曲线上便是加速度峰值的递减.

图10 四人组合中假人头部加速度

图11 Dumm1假人头部加速度纵向对比

IDHIC值3ms胸部最大加速度/g胫骨最大压力/kN左右Dummy1724523.285.43Dummy2226372.162.69Dummy3117391.531.63Dummy474320.701.52

表3 各种组合中Dummy1响应纵向比较

同理，在Dummy1的纵向比较(表3 )中可见，由于来自其余假人的惯性冲击力的递增，人数越多，Dummy1的碰撞响应值最大峰值越高，如图11.

3.3 不同车厢

本文采用的地铁车辆模型为8节编组，由于在整个列车碰撞过程中发生变形主要集中在头车，中间车发生变形较小，所以根据EN15227的相关规定，在8节编组中除了TC01车和MP02车是完全按照实际几何模型建立有限元模型，其余车辆均采用简化模型处理.将前两节车厢的参考点速度曲线输出作为局部乘坐环境模型的边界条件.评价不同车厢在二次碰撞过程中对假人损伤的影响.

由图12的头部加速度对比图和不同车厢中假人响应分析(表4 )可以看出，运动和静止编组的TC01车中，假人头部加速度的最大峰值均在320 ms左右产生，且最大峰值相差很小.说明两列车头车的碰撞响应比较对称.碰撞发生后，主要监控参数如速度、应力以波状形式沿车体向后传递.体现在假人头部加速度曲线上便是MP02车假人头部加速度的第一个较大峰值出现的要比TC01车晚了150 ms左右，此时，假人与座椅端部发生接触，在550 ms左右达到最大峰值，且最大峰值均高于TC01车中假人，这是由于MP02车的横向摆动较大，假人与座椅端板接触后，头部撞击到垂向扶手，产生较大集中负荷.车体纵向撞击力由车头向后逐渐递减，使得MP02车中假人相对TC01车，大腿与座椅端部的撞击力减小.

图12 不同车厢内假人头部加速度

车厢HIC值3ms胸部最大加速度/g胫骨最大压力/kN左右运动TC01132360.832.12运动MP02294400.761.89静止TC01241500.811.99静止MP02358440.581.55

4 结论

(1)运用整车大变形碰撞仿真方法研究多变量对假人损伤的影响十分耗时且模型复杂.本文采用构建局部乘坐环境模型进行二次碰撞分析的方法，通过设置局部乘坐环境模型的边界条件保证假人响应的可靠性，并可以根据变量的不同对模型进行反复修改并计算，提高了假人二次碰撞仿真计算效率;

(2)地铁车辆中影响坐姿乘客二次碰撞损伤的因素复杂，其中比较重要的是座椅端部布置.本文以两种常见座椅端部布置方式为基础，结合假人损伤情况，探讨了地铁车辆内饰中座椅端板、扶手、屏风的布置方式与乘客损伤程度的关系;

(3)我国地铁车辆中最常见的是六人纵向座椅，座椅边缘的座位由于靠近端部结构，在碰撞发生时最危险，且同一座椅中人数越多，座椅端部乘客损伤概率越高.车厢横向摆动对假人的碰撞响应影响较大.位于横向摆动剧烈的车厢中的乘客，其头部与扶手更容易发生碰撞，或者从座椅上跌落，这都大大增加了乘客的伤亡概率.

[1]TYRELL D,SEVERSON K,MARQUIS B. Analysis of Occupant Protection Strategies in Train Collisions[C]//ASME Conference Proceedings of 1995 ASME International Engineering Congress and Exposition. San Francisco: Crashworthiness and Occupant Protection in Transportation Systems,1995:1-19.

[2]HECHT M. Safe Tram Addresses Crashworthiness of Trams and Light Rail Vehicle[J]. Railway Gazette International,2004(160):288-289.

[3]刘金朝,房加志,王成国,等.铁道车辆大变形碰撞仿真研究[J].中国铁道科学,2004, 25(6):1-7.

[4]王存义,张乐乐,等.基于坐姿假人的地铁乘员二次碰撞损伤影响分析[J].铁道学报,2015,37(3):14-22.

[5]张岗,张天增.提速火车创伤流行病学变化[J].创伤外科杂志,2004,6 (1): 66-67.

[6]中国汽车技术研究中心.中国新车评价管理规矩2015[EB/OL]. [2015- 04- 06]http://www.cncap.org/rootfiles/2015/04/glgz2015.pdf.

[7]Association of Train Operating Companies，AV/ST9001Vehicle Interior Crashworthiness[S]．England London：Association of Train Operating Companies，2002．

[8]陈群.地铁车辆纵向客室座椅设计[J].技术研发,2012,19(6):128-131.

[9]潘利剑,靳交通.玻璃钢符合材料拉-拉疲劳性能试验方法及其改进[J].玻璃钢复合材料,2009(5):46-48.

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 基金项目：国家自然科学基金资助项目(11272070);中国铁路总公司科学研究计划资助项目(2015J007-H)

周俊先(1990-)，男，硕士研究生 ; 陈秉智(1971-)，男，教授，博士，主要从事车辆结构分析与现代设计方法的研究

A

E- mail:chenbingzhi06@hotmail.com.