基于拟人仿真试验的列车事故乘员损伤预测方法及应用

张乐乐，佟 鑫，卫 亮

(北京交通大学 机械与电子控制工程学院，北京 100044)

列车碰撞事故发生时，乘员与随同车体减速的列车内部设施发生碰撞，会对乘员造成严重的损伤。事故统计表明，由列车一次碰撞引发乘员与车辆内部结构或其他乘员的二次碰撞是造成乘员损伤的主要原因之一。目前，对轨道列车碰撞事故中乘员损伤的研究方法主要有：事故调查法，即在列车发生碰撞事故后，记录和分析由于碰撞事故导致的乘员损伤情况，对现有列车内部结构的被动安全性能进行评估[1]，该方法受限于样本的收集情况；实车碰撞试验方法，即在规定的场景下直接使用两节或若干节列车进行碰撞，在车厢相应位置设置假人模型并使用高速摄影仪和传感器记录假人碰撞响应和相关数据[2]，此方法目前能够最大程度模拟真实的碰撞场景，但试验成本高、周期长；拟人测试与仿真方法，即在实验室条件下实现以物理假人为基础的实测与数值仿真相结合，通过假人物理参数的响应评估预测乘员损伤，进一步研究载运工具内部设施、局部结构等的被动安全性能。

David TYELL等人[3]通过对比测试证明座椅结构的优化能够有效提高乘员在列车碰撞事故中的幸存性。刘金朝等人[4]对安置假人模型的25B型客车的单车碰撞工况进行仿真，表明有限元方法可以有效预测乘员的二次碰撞伤害。王文斌等人[5]使用多刚体动力学假人针对我国25K型列车的座椅布置方案进行优化。单其雨等人[6]分析高速列车司机室的被动安全性能，得出应该增加防护装置的结论。陈秉智等人[7]使用数值仿真的方法，以CRH3型动车为载体讨论坐姿假人二次碰撞伤害情况。谢素超等人[8]以二次碰撞安全为标准，对列车座椅间距进行优化。以上研究侧重于座椅与乘员或者乘员与乘员的二次碰撞安全。施青松等人[9]采用车体—客室—假人耦合模拟卧铺乘员二次碰撞，以硬卧车厢为研究对象，忽略了车厢中乘员与乘员之间的碰撞问题及可能的损伤。

各国在轨道列车被动安全标准方面的大量研究取得了相关结论和成果。美国公共运输协会制定的“APTA-PR-CS-S-016-99,Rev.2”在使用与事故统计的基础上提出轨道列车座椅的二次碰撞评估模型的建立方法。英国列车运营公司协会针对车辆内部设施的安全性以及如何利用内部结构减少乘员在碰撞事故中的伤亡提出“AV/ST 9001”。“GM/RT 2100 Iss5”由英国铁道安全与标准委员会修订，规定乘员与设备、乘员与乘员之间的二次碰撞的损伤等级及相应的限定值。

本文针对碰撞事故中卧铺列车乘员损伤分析和预测问题，提炼25T型卧铺列车内部结构布置特点，建立以假人模型为基础的典型碰撞场景模型，校验材料模型、边界条件、评估参数等，在LS-DYNA环境下实现事故过程的碰撞仿真。通过分析假人的碰撞响应及力学参数变化，评估预测乘员损伤，以提高事故幸存率为目的，为卧铺车厢内部设施的耐撞性优化设计提供理论支撑。

1 碰撞场景的选择和模型建立

近10年发生的几次事故表明：虽然卧铺车厢通常位于列车编组的中后端，在事故中一次碰撞的几率较低，但由于卧铺车厢的被动安全防护弱于硬座车厢，乘员二次碰撞损伤和内部设施优化问题依然不容忽视。

25T型列车的硬卧与软卧车厢均采用单元式布局，如图1所示的一个卧铺单元结构。车厢主要尺寸见表1。

图1 25T型卧铺车厢内部布置结构图(单位：mm)

车厢单元乘员数量/人铺位宽度/mm下铺高度/mm备注硬卧6573370图1(a)软卧4700430图1(b)

1.1 碰撞场景描述

卧铺单元具有重复性和独立性的特点，同时考虑乘员在卧铺车厢中的主要状态，建立4个典型碰撞场景，如图2所示，图中圆圈里的数字为假人的编号。碰撞场景模型信息见表2。

图2 卧铺车厢单元的碰撞场景

场景车厢单元假人数量/个假人姿态附加结构备注场景1硬卧4坐姿餐桌图2(a)场景2硬卧6卧姿护栏图2(b)场景3软卧4坐姿餐桌图2(c)场景4软卧4卧姿护栏图2(d)

1.2 有限元模型

碰撞场景模型采用全积分壳单元进行网格划分。硬卧车厢有限元模型(不含假人)共计94 290个节点，94 060个单元。软卧车厢有限元模型(不含假人)共计235 523个节点，235 838个单元。

人体与内部结构的接触刚度使用图3中的试验值[10]。

采用美国公共交通协会(APTA)制定的《轨道客车乘客座椅行业标准》(APTA SS-C&S-016-99)[11]作为依据，此标准明确规定轨道客车内部结构耐撞性评估的载荷曲线，如图4所示的三角形冲击波，冲击加速度在125 ms时达到最大值8g，250 ms时减到0g。

采用LSTC公司的Hybrid Ⅲ 50th卧姿和坐姿刚性体假人模型，假人有限元模型由壳单元、体单元、梁单元、弹簧单元和质量单元组成，单元数量见表3。

图3 餐桌、床的接触刚度

图4 标准载荷曲线

假人壳单元体单元梁单元弹簧单元质量单元坐姿1 6382 6483832卧姿1 6062 6443832

2 乘员损伤判据标准

相关事故伤亡统计表明[1]，在列车碰撞事故中大部分重伤乘员的受伤部位为颅脑、胸部和四肢。为了评估乘员在事故中不同部位的碰撞伤害，引入汽车乘员碰撞的损伤标准[12]建立损伤参数，分别用于评估人体的颅脑、胸脊部以及腿部的伤害。

头部损伤评估指标HIC(Head Injury Criterion)的定义为

(1)

式中：a(t)是头部质心点处的合成加速度；t1和t2是碰撞过程中间隔不大于36 ms的两个任意时间点。

依据美国汽车医学协会(American Association for Automotive Medicine)制定的简明损伤定级(Abbreviated Injury Scale，AIS)衡量乘员损伤情况。HIC36值与AIS损伤等级对比关系见表4。

表4 头部HIC36与AIS等级对比关系

胸部损伤评估指标TC3 ms(Thoracic Cumulative 3 ms Injury Criterion)的定义为胸部重心处持续受到不短于3 ms时长的冲击加速度的最大值。TC3 ms与AIS损伤等级对比关系见表5。

表5 胸部TC3 ms值与AIS等级对比关系

腿部损伤评估指标胫骨指数TI(Tibia Index)和胫骨压缩力FZ，胫骨指数TI的定义为

(2)

根据上述标准，当胫骨指数TI>1.3、胫骨压缩力FZ>8 kN，即说明腿部会受骨折、脱臼等伤害。

3 假人碰撞姿态响应

3.1 坐姿假人响应

图5(a)中1号假人在标准载荷的作用下从铺位被抛出，在102 ms胸部与餐桌发生碰撞且在反弹站起的过程中在314 ms与中铺床棱发生碰撞。4号假人在整个碰撞过程中响应幅度相对较小，仅在98 ms与侧墙发生碰撞。

图5(b)中2号假人在173 ms腿部与下铺床棱发生碰撞导致头部前倾，在406 ms头部与3号乘员的胸部发生碰撞。2号假人在回弹的过程中头部在478和708 ms与中铺床棱发生两次碰撞。

软卧车厢中的12号假人在105 ms与餐桌发生碰撞，13号假人在104 ms与侧墙发生碰撞，11号假人在503 ms与14号假人发生碰撞，如图5(c)和(d)所示。

图5 坐姿假人的碰撞响应

3.2 卧姿假人响应

硬卧车厢的中铺6号、9号假人分别与上铺5号、10号假人的姿态响应一致，假人在标准载荷的作用下与铺位发生相对位移，手臂首先与护栏或侧墙接触，头部和腿部将继续运动，如图6(a)所示。由于下铺没有护栏限制假人的横向运动，7号假人从原始位置被抛出后头部直接与餐桌发生碰撞，且7号假人下肢与8号假人发生碰撞，如图6(b)所示。

软卧车厢的卧姿假人的碰撞响应与硬卧卧姿假人基本相似，如图7所示。软卧车厢的15号假人在与护栏发生碰撞后从上铺翻滚跌落下来，在588 ms砸落在16号假人的身体上。

相同假人布置的碰撞场景由于硬、软卧车厢的内部结构差异将导致假人产生不同程度的响应。软卧车厢中的11号和12号假人在与14号假人或餐桌发生碰撞后在反弹站起过程中并不会与上铺床棱发生碰撞，是由于软卧车厢的上、下铺高度差比硬卧中、下铺的高度差多115 mm。由于软卧铺位比硬卧宽127 mm造成假人与铺位的相对运动距离较大，导致15号假人在与护栏发生碰撞后从上铺翻滚跌落下来。

图6 硬卧卧姿假人的碰撞响应

图7 软卧卧姿假人的碰撞响应

4 乘员损伤预测与分析

4.1 头部加速度与损伤

在列车碰撞事故发生时车体受到突然的减速度作用，而车厢中的乘员与随同车体减速的列车内部结构或车厢中其他乘员发生碰撞，将会对乘员造成严重的损伤。坐姿1号假人在314 ms与中铺床棱的碰撞，头部加速度峰值达到342g。2号假人在478和708 ms与中铺床棱发生两次碰撞，头部加速度峰值分别达到324g和193g。背对车辆前进方向的乘员由于侧墙的阻挡，头部加速度将远小于面对车辆前进方向的乘员。坐姿假人的头部加速度如图8所示。

卧姿7号和16号假人头部分别在168和172 ms直接同餐桌发生碰撞，头部加速度峰值分别达到295g和266g。卧姿假人的头部加速度如图9所示。

图8 坐姿假人头部碰撞加速度

如表6所示，假人的HIC36值在157～2 382之间。卧姿假人的HIC36相对较小，但与餐桌直接发生碰撞的7号与16号假人的HIC36达到2 144和1 910，头部发生严重骨折，导致乘员死亡或无法抢救，其余卧姿假人HIC36值为157至186之间，头部仅仅受到轻微伤害，出现头痛、眩晕等症状。背对前进方向的坐姿假人的身体与侧墙发生碰撞，HIC36值较小为510至589之间，可能出现暂时性的意识丧失等症状。面对前进方向的坐姿假人在被抛出座位与餐桌、对面假人或中铺床棱发生碰撞，HIC36位于1 624至2 382之间，可能造成长时间意识丧失或脑血肿、大动脉破裂等致命性伤害。

图9 卧姿假人头部碰撞加速度

表6 不同姿态假人的HIC36与TC3 ms

4.2 胸部加速度与损伤

假人身体各部位与车厢内部设施发生碰撞后加速度均可能传递到胸部，导致胸部加速度曲线一般呈现多个峰值。坐姿乘员胸部最大的威胁是与餐桌发生的直接碰撞，1号和12号假人胸部与餐桌发生碰撞，胸部加速度峰值达到64g。坐姿假人的胸部加速度如图10所示。

假人胸部加速度最大峰值出现在上铺15号假人砸落到下铺16号假人时，15号假人胸部加速度在588 ms出现153g的峰值，可能导致上铺乘员死亡或无法抢救。卧姿假人的胸部加速度如图11所示。

图10 坐姿假人胸部碰撞加速度

图11 卧姿假人胸部碰撞加速度

如表6所示,假人的TC3ms值在12～153之间。卧姿假人的TC3 ms相对较小，与餐桌直接发生碰撞的1号假人达到64g，胸部发生肋骨骨折但无呼吸困难。软卧车厢中的15号假人在588 ms从上铺跌落与16号假人发生碰撞，导致15号和16号假人的TC3 ms分别达到153g和78g，可能造成致命性损伤。其他假人的TC3 ms位于12g至58g之间，受到中低程度的损伤。

4.3 腿部受力与损伤

使用公式(2)计算得到上述场景中假人的胫骨指数TI和胫骨压缩力FZ，见表7。假人腿部的严重损伤发生在坐姿假人腿部与对面下铺床棱碰撞时，2号和11号假人的胫骨指数TI值分别达到4.32和2.31，胫骨压缩力FZ分别达到46.54和34.44 kN。12号假人胫骨压缩力FZ达到8.78 kN。2号、11号和12号假人的腿部会发生骨折。其他假人胫骨指数TI和胫骨压缩力FZ均小于相关标准许可值，说明在碰撞过程中其他位置乘员的腿部相对安全，不会发生骨折和脱臼。

表7 不同姿态假人的TI和FZ值

5 结 论

基于仿真分析结果，硬卧车厢中的坐姿乘员的头部与中铺床棱发生两次碰撞，其头部HIC36为2 382，可能造成致命伤害；下铺卧姿乘员头部直接和餐桌发生碰撞，其头部HIC36为2 144，可能产生致命伤害；软卧车厢的上铺乘员在与护栏碰撞后，砸落在下铺乘员身上，其胸部TC3 ms为153g，可能产生致命伤害。

为避免下铺卧姿乘员头部与餐桌发生碰撞接触，可在下铺增加限制卧姿乘员横向位移装置，例如护栏。卧铺车厢在无法增加被动安全装置的条件下，可以考虑改进与乘员接触结构的形状和材料以降低乘员损伤的可能性，如将餐桌设计为吸能材料的蜂窝结构，可以满足承载和碰撞条件下主动变形的双重要求。

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