电梯不同冲顶速度下的乘客头部损伤仿真分析

黄海洋，张润良

（苏州市职业大学 机电工程学院（电梯学院），江苏 苏州 215104）

电梯冲顶是较严重的一类电梯事故，近年来，国内也发生了多起冲顶事故，均造成了乘客不同程度的损伤，而头部受撞击是造成乘客重伤的直接原因。随着电梯运行速度的不断提升，电梯冲顶时的速度也存在增大的风险，冲顶对乘客所造成的伤害也会随之增加。由于电梯冲顶具有极强的破坏性，在现实中不利于进行试验验证，而通过模拟仿真的形式进行研究，具有成本与效率方面的优势，对于研究电梯冲顶具有较强的参考意义。目前，关于撞击与乘客损伤方面的仿真研究主要集中在汽车安全领域，在电梯领域内的相关研究还较少，因此，本文利用LS-DYNA软件模拟仿真了电梯不同冲顶速度下的乘客运动状态，以及乘客头部所受的最大应力，并研究了橡胶防护层对乘客头部的防护作用及效果。

1 冲顶模型的建立

电梯冲顶时轿厢以一定的速度撞击到井道顶部，乘客在惯性力的的作用下冲向轿厢顶部，因此，电梯冲顶涉及的对象主要包括轿厢、乘客和井道顶部三部分。以下分别对上述三部分进行建模并组合为冲顶模型。

由于研究的重点是冲顶速度与乘客间的相互作用关系，轿厢的结构变形对仿真结果的影响相对较小，为了节约计算资源，建立模型时对轿厢进行简化处理，将轿厢模型设计为空盒结构，使轿厢直接撞击井道顶部，省略掉轿顶设备、轿厢架，以及轿厢具体结构细节，增加轿厢壁的厚度，轿厢壁厚均为20mm，轿厢内部的宽、深和高分别为1400mm、1400mm和2400mm，轿厢材料选择钢，密度7580kg/m3，弹性模量2×105MPa，泊松比0.3。

人体的组织结构较复杂，由于本文重点研究的是乘客头部的损伤，在建立乘客模型时参照颅骨的力学性能进行设置，其中，乘客模型设计身高为175cm，体重75kg，材料弹性模量6500MPa，泊松比0.25。现实中，井道顶部通常为混凝土结构，电梯冲顶时，井道顶部的变形较小，可忽略不计，将井道顶部设置为刚体，使轿厢顶部与井道顶部直接接触。最终建立的冲顶模型如图1所示。

图1 电梯冲顶模型图

2 仿真分析

2.1 仿真设置

轿厢和乘客模型设置为弹性体，两者的接触类型为无摩擦接触，两者的初始速度（冲顶速度）相同，分别设置为1m/s、2.5m/s、5m/s和10m/s，考虑重力对模型的作用，重力加速度方向与轿厢和乘客的运动方向相反，大小为9.8m/s，井道顶部采用固定约束，对乘客模型头部的网格做加密处理。由于不同冲顶速度下，乘客头部从初始状态到撞击轿厢顶部的所需的时间不同，因此，仿真时间设置如表1所示。

表1 仿真时间设置

2.2 冲顶过程分析

运行仿真计算，计算完成后得到各冲顶速度下的仿真结果。以冲顶速度为5m/s的模型为例，模型冲顶过程如图2所示。

图2 模型冲顶过程位移图

电梯冲顶后，如图2a所示，轿厢反向弹回，而乘客在惯性作用下向上做减速运动，在0.09s时刻，如图2b所示，乘客的头撞击到轿厢的顶部，撞击后如图2c所示，乘客在撞击力的作用下反向向下运动，该仿真过程中乘客的运动形式与现实冲顶时乘客的运动形式基本吻合。

2.3 应力分析

电梯冲顶时，主要表现为乘客头顶撞击轿厢，选取乘客模型的头顶进行应力分析，得到不同冲顶速度下的头顶应力值。以5m/s冲击速度为例，撞击时，乘客模型头顶所受到的等效应力如图3所示，最大应力出现于头顶与轿厢顶部最早接触部位。

图3 头顶撞击轿厢等效应力图

关于人头顶所能承受的最大应力，已有文献[4]对人体颅骨中的顶骨进行过压缩实验，实验结果显示，人顶骨具有很强的抗压能力，顶骨所能承受的最大破坏应力约为86.6±5.87MPa。将上述顶骨所能承受的最大破坏应力与不同冲顶速度撞击时的最大等效应力进行比较分析，如表2所示。

表2 不同冲顶速度时头顶所受应力比较

由表2可知，当冲顶速度为1m/s时，乘客模型未与轿厢顶部发生接触和撞击，不会对乘客头部造成撞击损伤，该仿真结果与文献[1]中所述乘客仅腿部受伤的情况相吻合。而其他冲顶速度下，乘客模型均与轿厢顶部发生接触和撞击。各冲顶速度下，乘客头顶受到的最大应力均未超过顶骨压缩破坏的应力，但电梯冲顶速度越大，乘客头顶部所受到的最大应力也越大，冲顶速度与头部撞击损伤间存在着正比例关系。由此也可以推测，当电梯冲顶速度达到一定数值后，电梯冲顶将直接导致顶骨的破裂及人员死亡。需要说明的是，由于仿真过程中乘客模型假设为整体式模型，模型内部不存在活动关节及肌肉皮肤等软组织，因此，仿真结果未考虑头部撞击时人体关节及软组织的缓冲作用，仿真所得的撞击力与实际情况存在差值。

3 防护措施

由于电梯冲顶对人头部的损伤较大，针对电梯冲顶事故，一方面需要尽量预防冲顶事故的发生，例如，增加防冲顶装置、加强安全检测、提高维保质量等，另一方面，也需要考虑冲顶事故不可避免时的防护措施，其中，在轿厢顶部增加一层防护层是最直接的防护措施，对于该防护层的防护效果，可采用仿真分析的方法进行验证。下面以10m/s的冲顶速度为例，通过增加弹性防护层的方式，研究防护层对乘客头部的保护作用。防护层选取仿真软件材料库中自带的橡胶（rubber1），橡胶层厚度分别设置为50mm、100mm和200mm，轿厢总体高度相应升高，轿内高度保持不变，其他参数保持不变。当防护层为200mm厚度时，乘客撞击防护层的形变效果如图4所示。

图4 头顶撞击防护层形变图

由于相较于乘客模型，橡胶防护层具有更大的弹性，因此，如图4所示，乘客头部撞击防护层时，防护层的被撞击部位产生凹陷，从而起到了缓冲的作用。不同防护层厚度时，乘客头顶撞击轿厢顶部时所受的最大应力如表3所示。

表3 不同厚度防护层时头顶所受应力比较

由表3可知，在轿厢顶部设置了橡胶防护层后，模型头顶撞击时的最大应力均明显减小，且随着防护层厚度的增加，防护层的防护效果也有所提升，但厚度的增加对防护效果的提升不明显，表明橡胶防护层的存在可有效降低乘客头顶所受到的撞击力，起到降低损伤的效果，但仅靠增加的防护层厚度的方式来提升防护效果的方法并不可取，另外，相较于橡胶材料，泡沫、气囊等其他类型的缓冲材料可能会具有更优的防护效果，可对其防护效果做进一步研究。

4 结语

本文采用动力学仿真方法对电梯冲顶事故进行了模拟仿真，研究了冲顶速度与乘客头部损伤的相互关系，结果表明，对于一般高度（2400mm）的电梯，当电梯的冲顶速度为低速（1m/s）时，乘客头部不会撞击到轿厢顶部，头部不易受到损伤，但当冲顶速度达到高速（2.5m/s）及以上时，乘客的头部就会受到较大的撞击，且最大应力随速度的提升成倍增加。为了减小冲顶对乘客头部造成的损伤，可在轿厢顶部设置弹性防护层，仿真结果表明，防护层可有效降低头部的撞击力，是一种相对简单、经济的防护措施。本文由于现有研究条件的限制，所建立的模型存在较多的理想化假设，仿真结果与实际情况肯定存在一定的差别，还需要在以后的研究中不断改进。