行人保護輕軌車輛外罩結構優化

李成林,李本懷,王璐

(中車長春軌道客車股份有限公司 國家軌道客車工程研發中心，吉林 長春 130062)*

0 引言

近年來，軌道車輛碰撞吸能設計越來越被國內外業主重視，國內軌道車輛的被動吸能設計均以鉤緩吸能和吸能結構吸能為主[1- 3]，在整車設計上掌握歐洲EN15227碰撞標準后，又相繼掌握了美國ASME RT- 2- 2014等國際標準.然而，目前無論高鐵列車、城鐵列車還是輕軌列車，實際吸能均發生在平臺力103N的量級上，對行人與軌道車輛的碰撞情況均未作考慮.低地板輕軌車輛通常在城市街道上運行，輕軌車輛與行人的碰撞事故不可能完全避免，因此，在輕軌車輛設計上應給予足夠重視.

本文分別對不同角度的行人與輕軌車輛撞擊進行模擬分析，結合分析結果，對輕軌車輛前段碳纖維結構進行優化，研究輕軌車輛撞擊前后行人的運動狀態、偏離中心線速率及盆骨損傷值，為輕軌車輛前部結構的行人保護設計提供參考依據.

1 碰撞條件及評價指標

與乘用車相比，列車前段在造型和結構上相差很大，因此不能沿用乘用車行人保護的設計策略，也無法借用其試驗條件.因此首先需要設定輕軌車輛撞擊行人的邊界條件和狀態，以充分考察與行人發生碰撞時的動態響應及損傷風險.

首先，軌道車輛前部整體剛度高于傳統乘用車，如風擋玻璃，前部結構設計等，對行人損傷更大，因此列車前段造型設計在行人保護方向上的考慮主要從整體出發，在碰撞不可避免發生時，通過較好的造型設計使得行人有更大的機會被列車“推”離列車軌道.因此本次分析首先設定行人作為整體進行評價考察，主要是其受列車沖擊后的動態響應，而局部損傷指標不做評價.

其次，列車與行人發生碰撞的事故并不常見，而發生的事故中較多也為軌道與公路交匯處，參照歐洲標準EN 15227- 2008 A1- 2010[4]鐵路車輛車體的防撞性要求[3]中輕軌車輛C-IV以25 km/h與3噸剛性障礙物碰撞工況，再參照乘用車行人保護成人與發動機罩碰撞速度35 km/h[4]，確定本次輕軌車輛撞擊行人的速度為30 km/h.

第三，與乘用車行人碰撞相似，事故發生的形式有較大隨機性，需要通過全面性的碰撞區域定義來評價其行人保護方面的性能.基于第一點中定義的整體性考察，故本次行人保護分析設定20°、30°和40°三個不同角度對行人進行仿真碰撞，當大于45°時理論上人體一定會被向外推出.

2 碰撞模型

輕軌車輛車體模型采用真實柔性體模型，端部玻璃鋼外罩、玻璃膠粘連接，電焊和螺栓連接等等.轉向架采用剛體模型，利用轉動副、滑動副和平動副真實模擬動作關系，車體模型中使用了LS-DYNA軟件提供的MAT20、MAT67、MAT119、Mat24、MAT100、MAT123等材料.碰撞計算中，行人使用LSTC公司提供的Hybrid III 型 50 百分位站立假人模型，調整了右腿膝關節旋轉副角度、右腿根部球角副角度、左腿踝關節球角副角度和左腿胯關節球角角度，考慮到生成上述運動副的關節part ID不因旋轉角度改變，故整個模型不需重新設計運動副關系，通過上述方式調整行人通過軌道的狀態.

3 碰撞仿真分析與優化

行人20°、30°和40°分別與30 km/h運行輕軌車輛發生碰撞，模擬場景可參見圖1所示.

(a) 20° (b) 30° (c) 40°

圖1三種角度的行人與輕軌車輛撞擊模擬場景

三種角度模擬計算結果可參見圖2，圖中分別顯示的是計算150 ms時刻的變形圖，可以清晰看出，在20°～40°角度間，角度越大，假人被“推離”車體中心線的趨勢越明顯，車體未發生變形.

(a) 20° (b) 30° (c) 40°

圖2三種角度的行人與輕軌車輛撞擊行人的模擬結果

為保證行人能更快的被“推離”軌道中心線，將車體前段造型進行了優化，使其變得更“尖”，對比兩次分析的結果圖可見圖3，優化過程不影響車體鋼骨架結構改變.

(a) 正視圖(b) 仰視圖

圖3司機室前端結構的優化

對輕軌端部玻璃鋼外罩進行優化分析，并將優化前后模型進行對比，發現同工況、同角度下假人的動作趨勢略有不同，優化后假人偏離車體中心線的橫向速率更快，可以斷定撞擊時間縮短，損傷更低.參考國內C-NCAP[5]法規對側碰骨盆進行受力提取[6]，并將優化前與優化后結果進行對比，優化后力值均有降低，證明車體前段造型更“尖”對行人傷害值越小.圖4是優化前后三種碰撞場景位移對比.圖5是優化前后假人在縱向-橫向上的運動軌跡對比，其中虛線代表優化后，實線是優化前；圖6介紹了優化前后假人盆骨損傷力值對比，其中虛線代表優化后，實線代表優化前.

(a) 20° (b) 30° (c) 40°

優化前

(a) 20° (b) 30° (c) 40°

優化后

圖4司機室前端結構優化前后三種碰撞場景位移對比

(a) 20°(b) 30° (c) 40°

圖5司機室前端結構優化前后假人運動軌跡對比

(a) 20°(b) 30°(c) 40°

圖6司機室前端結構優化前后盆骨受力對比

通過優化車輛端部玻璃鋼外罩形狀，對不同碰撞角度展開相同速度的碰撞模擬對比，發現車輛端部變“尖”后，假人被被“推離”車體中心線速率更快，盆骨最大損傷力值更低，盆骨力值在30°碰撞中降低最多，降低了約34.78%.

4 結論

本文以輕軌車輛撞擊行人為例，通過對列車以30 km/h的速度從三個角度與行人發生碰撞的模擬計算結果可以看出，在20°～40°范圍內，行人均保持有被“推離”軌道的趨勢，只是角度越小趨勢越小.這驗證了目前前端接近中垂面位置的造型弧度較為理想，僅從行人保護方面考慮：

(1)增大中垂面位置的弧度更利于達到“推離”行人的目的；

(2)車頭外罩材質越軟，減小撞擊過程中的接觸力，越有利于對行人的保護.

以上為被動安全角度出發對行人保護方面的評價，而從主動安全角度出發，增加對行人探測預警，在特定情況下伴隨主動制動功能會讓列車在行人保護性能上更為完善.

參考文獻:

[1]李本懷.軌道客車車體碰撞吸能研究[D].長春：吉林大學，2014.

[2]李本懷.軌道客車能量分配快速分析方法及應用[J].大連交通大學學報, 2017, 38(1):26- 29.

[3]肖守訥，張志新，陽光武.列車碰撞仿真中鉤緩裝置模擬方法[J].西南交通大學學報, 2014, 49(5):831- 836.

[4]BSI.BS EN 15227- 2008 A1- 2010. Crashworthiness Requirements for Railway Vehicle Bodies[S]. Britain:European committee for standardization, 2010.

[5]呂曉江，王純，劉衛國，等.基于行人保護的乘用車前部造型設計優化[J]. 汽車安全與節能學報，2011，2(3):206- 211.

[6]C-NCAP 管理中心. C-NCAP 管理規則(2012版)[S].天津:中國汽車技術研究中心,2012:3- 7.

[7]韓勇,楊濟匡,李凡,等.汽車一行人碰撞中人體下肢骨折的有限元分析[J].吉林大學學報(工學版)，2011, 41(1):6- 11.