基于有限元模拟计算的轨道车辆乘员二次碰撞伤害研究

姜良奎 董青婧

（1. 西南交通大学建筑与设计学院，四川 成都 611731； 2. 中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111）

0 引言

随着经济社会的发展，选择地铁、动车等轨道车辆出行人群越来越大，由于列车地铁等车辆不具备汽车一样的被动安全设施，一旦发生事故，乘员受伤的概率较高。近几年来国内外研究轨道车辆碰撞事故中发现，大量的乘员伤害是由乘员与客室内部设施之间的二次碰撞造成的[1]，美国在研究车辆碰撞的同时在车辆内部布置了不同百分位的假人模型，对乘员二次碰撞的伤害进行了研究[2]。西南交通大学的张志新等[3]通过有限元分析方法研究了二次碰撞中客室内部座椅间距、安全带等对乘员的损伤影响，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。

由于轨道车辆内部空间有限，在车辆客室内部，座椅的排布方式、座椅之间的间距以及座椅椅背的刚度与乘员的二次碰撞安全密切相关。该文结合我国轨道交通车辆客室内部的设施与布置情况，构建轨道车辆客室局部模型，结合欧洲的乘员伤害标准，分别建立了不同座椅排布方式、不同座椅间距、不同座椅椅背刚度的有限元模型，分析这些因素对乘员伤害的影响，并提出了碰撞事故中乘员安全防护的建议。

1 乘员损伤标准及碰撞仿真模型

1.1 乘员损伤标准

笔者对轨道车辆碰撞事故中的乘员伤亡情况进行统计，发现颅脑损伤、胸部损伤、四肢损伤最多发且危害性较大[4]，研究发现二次碰撞导致的乘员身体不同部位的受伤比例不同，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，因此通常不将脸和手臂作为损伤指标[5]。该文采用头部损伤，胸部最大加速度（3ms内） 、胫骨所受压力作为损伤判据，预测乘员的损伤状况，其中头部损伤判据如公式（1）所示。

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，参考欧美的标准，要求HIC值必须低于1000[3]。

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[5]。

1.2 碰撞仿真模型

实际轨道车辆是由多组车厢连接而成，如果建立所有车厢的有限元模型，这无疑是费时费力的，并且不利于对模型进行多次修改计算。研究表明[6]，构建列车组局部模型进行假人损伤评估，方法是可行的，同时与整列车相比，能够极大地节省仿真计算时间。因此该文将提取轨道车辆列车组中一组乘客车厢建立局部客室模型，模型中假人的纵向初速度沿着X轴方向，速度值来自整车的碰撞速度为15.7km/h，局部客室模型的边界条件提取自列车整车模型，计算时间为800ms。由于整个过程中，假人没有和车体侧面发生碰撞，因此将其设置为刚体，以提高计算效率。模型中假人来自于法国ESI公司开发的假人，可以根据实际的情况，调整假人的姿态，该型假人能够输出二次碰撞后身体各部位的力、力矩、加速度、位移曲线，通过曲线评估损伤情况。局部客室有限元模型侧视图如图1所示。

图1 局部客室有限元模型侧视图

2 影响乘员二次碰撞损伤的因素

2.1 座椅排布方式的影响

轨道车辆内部座椅的排布方式，座椅的方向可以是同向布置，同向和背向排布时，座椅上均放置一个6岁儿童假人。座椅同向排布时，假人在二次碰撞过程中的运动姿态，如图2所示。运动姿态变化图表明车辆沿着X正向和障碍物发生碰撞后，假人由于惯性飞离座椅，冲向前排座椅，在170ms左右假人腿部先和前排座椅椅背发生二次碰撞，随后头部接触到前排座椅椅背，由于力的相互作用假人向前运动的速度逐渐减为零，并且受到座椅的作用力而产生反向的速度，前排座椅将假人弹回乘坐的座椅，此时速度明显减慢，假人头部先和乘坐的座椅接触，如图2中400ms所示，由于之前的接触碰撞导致假人能量大幅减少，因此此时碰撞对假人头部伤害较小。之后身体的肩部，背部和座椅接触，运动姿态逐渐稳定，如图2中800ms所示。

图2 座椅同向排布时假人二次碰撞过程

图3所示为座椅背向排布时，6岁儿童假人二次碰撞过程中的运动姿态变化。由于车辆初速度沿着X正向和障碍物发生碰撞，假人因为惯性向座椅椅背靠近，此时假人头部先和座椅发生接触而产生二次碰撞，如图3中110ms所示。这是由于座椅的结构设计，通常对应头部区域的座椅区域较大较厚。之后假人的身体背部才接触到座椅椅背，由于力的相互作用，假人在座椅的作用力下反方向运动，并于600ms左右接触到另一排座椅，由于之前的接触碰撞导致假人能量大幅减少，因此此时碰撞对假人伤害较小，而后假人开始返回座椅，如图3中800ms所示。

图3 座椅背向排布时假人二次碰撞过程

根据座椅同向/背向排布时，假人身体和座椅接触碰撞的特点，提取头部/胸部/腿部的伤害曲线，经过软件后处理计算得到这些部位的伤害值，如表1所示。从表中看出，座椅同向排布时，假人头部HIC值/胸部3ms加速度较低，但是腿部轴向压缩力较大。这是由于座椅同向排布时，发生二次碰撞时，假人前倾撞向前排的座椅，同时在头部接触座椅前，假人的腿部先撞向前面的座椅，所以表1中，座椅同向排布时，假人的腿部压缩力大于背向排布，因此前排的座椅约束了假人的进一步向前运动，起到了较好的保护作用。对座椅背向排布的形式，二次碰撞时，假人将撞向身后的座椅，头部较早的直接接触到了座椅，发生二次碰撞，因此头部损伤值较大。

表1 不同座椅排布方式假人伤害值

2.2 座椅间距的影响

采用座椅同向排布的方案，继续分析前排与后排座椅之间的座椅距离对二次碰撞中乘员伤害的影响，图4为前排后排座椅间距示意图，车辆结构和障碍物碰撞后，假人因为惯性飞离座椅，假人的运动过程如图2所示类似，只不过座椅间距发生了变化。图5为不同座椅间距下假人头部质心合成加速度-时间曲线，从图中可以发现，随着间距增大，加速度峰值越高，根据碰撞理论，加速度峰值越高，对乘员的冲击越强，碰撞安全性越差。从时间上来看，200ms左右假人头部与前排座椅发生二次碰撞，加速度曲线出现峰值，之后随着假人的能量被座椅吸收，座椅对假人产生反向作用力，加速度曲线逐渐趋向平缓，之后假人弹回座椅与座椅接触，对应着加速度曲线上400ms之后的尖峰。此时虽然产生了一定的峰值，但是由于总体能量较小，与第一个尖峰相比对乘员伤害较小。

图4 前排与后排座椅间距

图5 不同座椅间距下假人头部加速度曲线

从假人的头部/胸部/腿部伤害曲线，提取得到的伤害数值如表2所示。从表中数值可以看出，随着座椅间距的增大，假人头部损伤值HIC36逐渐增大，3ms胸部加速度值逐渐增大，大腿轴向压缩力逐渐增大。这是由于当座椅间距变大时，前后排座椅间空间变大，车辆碰撞后后排乘员飞出撞向前排座椅的时间变长，乘员撞向座椅的那一刻，速度变大，能量较大，因此乘员损伤也较大。

表2 不同座椅间距下假人伤害值

2.3 座椅椅背刚度的影响

采用座椅同向布置的方案，前后排座椅间距为857mm保持不变，分析前排座椅椅背刚度对乘员二次碰撞安全的影响，椅背刚度的选取参考美国校车座椅碰撞保护标准[3，7]，该标准规定了无安全带的校车座椅椅背刚度选取范围。座椅上仍旧放置儿童假人模型，假人在二次碰撞中的运动姿态变化情况与座椅同向排布类似。不同椅背刚度下头部质心合成加速度如图6～图8所示，从加速度曲线发现，曲线上第一个峰值出现的时间基本一致，这是由于此时座椅间距保持不变，车辆碰撞初速度一样，假人头部与座椅椅背接触的时刻相同，但是加速度峰值存在差异，座椅椅背刚度低的加速度峰值较低。

图6 座椅椅背刚度较低时头部加速度曲线

图8 座椅椅背刚度高时头部加速度曲线

图7 座椅椅背刚度中时头部加速度曲线

从假人的伤害曲线中提取得到的头部/胸部3ms/腿部压缩力伤害数值如表3所示。从数值中明显看出，随着座椅椅背刚度的增大，后排假人撞向前排，假人伤害值也逐渐增大，这是由于椅背刚度变大后，座椅椅背变硬，假人头部接触到椅背后伤害自然增大。因此在符合相关座椅标准的基础上，应该尽量选择椅背刚度较小的座椅。而胸部3ms加速度和腿部轴向压缩力数据表明，随着座椅椅背刚度的变化，数值整体差异不大，但是数值较高，表明在当前座椅刚度下，假人胸部受到冲击较大。从腿部轴向压缩力数据上发现，随着椅背刚度的变化，腿部压缩力数值差异较小，主要是当前的假人姿态下腿部和座椅接触后，身体其余部位也在发生运动，腿部伤害程度没有头部明显。

表3 不同座椅椅背刚度假人伤害值

3 结论

该文基于我国轨道交通车辆客室内部的设施与布置，参考欧美国家轨道车辆乘员伤害标准，建立轨道车辆客室局部有限元模型，研究客室内部乘员的二次碰撞伤害，分析了客室内部座椅不同布置方式、不同的座椅间距、不同座椅椅背刚度对乘员安全性的影响，得出结论如下：1）相比于座椅背向排布，座椅同向排布下，乘员腿部首先接触到前排座椅，头部的伤害值较小，乘员安全性更高；2）不同座椅间距下，随着座椅间距增大，前后排座椅距离增大，车体结构碰撞后，乘员飞离座椅撞向前排座椅的时间过程变大，乘员撞向座椅的那一刻，速度变大，能量较大，因此乘员头部损伤增大；3）随着座椅椅背刚度的增大，座椅椅背变硬，假人头部接触到椅背伤害自然增大。因此在符合相关座椅标准的基础上，应该尽量选择椅背刚度较小的座椅。