基于擬人仿真試驗的列車事故乘員損傷預測方法及應用

張樂樂，佟 鑫，衛 亮

(北京交通大學 機械與電子控制工程學院，北京 100044)

列車碰撞事故發生時，乘員與隨同車體減速的列車內部設施發生碰撞，會對乘員造成嚴重的損傷。事故統計表明，由列車一次碰撞引發乘員與車輛內部結構或其他乘員的二次碰撞是造成乘員損傷的主要原因之一。目前，對軌道列車碰撞事故中乘員損傷的研究方法主要有：事故調查法，即在列車發生碰撞事故后，記錄和分析由于碰撞事故導致的乘員損傷情況，對現有列車內部結構的被動安全性能進行評估[1]，該方法受限于樣本的收集情況；實車碰撞試驗方法，即在規定的場景下直接使用兩節或若干節列車進行碰撞，在車廂相應位置設置假人模型并使用高速攝影儀和傳感器記錄假人碰撞響應和相關數據[2]，此方法目前能夠最大程度模擬真實的碰撞場景，但試驗成本高、周期長；擬人測試與仿真方法，即在實驗室條件下實現以物理假人為基礎的實測與數值仿真相結合，通過假人物理參數的響應評估預測乘員損傷，進一步研究載運工具內部設施、局部結構等的被動安全性能。

David TYELL等人[3]通過對比測試證明座椅結構的優化能夠有效提高乘員在列車碰撞事故中的幸存性。劉金朝等人[4]對安置假人模型的25B型客車的單車碰撞工況進行仿真，表明有限元方法可以有效預測乘員的二次碰撞傷害。王文斌等人[5]使用多剛體動力學假人針對我國25K型列車的座椅布置方案進行優化。單其雨等人[6]分析高速列車司機室的被動安全性能，得出應該增加防護裝置的結論。陳秉智等人[7]使用數值仿真的方法，以CRH3型動車為載體討論坐姿假人二次碰撞傷害情況。謝素超等人[8]以二次碰撞安全為標準，對列車座椅間距進行優化。以上研究側重于座椅與乘員或者乘員與乘員的二次碰撞安全。施青松等人[9]采用車體—客室—假人耦合模擬臥鋪乘員二次碰撞，以硬臥車廂為研究對象，忽略了車廂中乘員與乘員之間的碰撞問題及可能的損傷。

各國在軌道列車被動安全標準方面的大量研究取得了相關結論和成果。美國公共運輸協會制定的“APTA-PR-CS-S-016-99,Rev.2”在使用與事故統計的基礎上提出軌道列車座椅的二次碰撞評估模型的建立方法。英國列車運營公司協會針對車輛內部設施的安全性以及如何利用內部結構減少乘員在碰撞事故中的傷亡提出“AV/ST 9001”。“GM/RT 2100 Iss5”由英國鐵道安全與標準委員會修訂，規定乘員與設備、乘員與乘員之間的二次碰撞的損傷等級及相應的限定值。

本文針對碰撞事故中臥鋪列車乘員損傷分析和預測問題，提煉25T型臥鋪列車內部結構布置特點，建立以假人模型為基礎的典型碰撞場景模型，校驗材料模型、邊界條件、評估參數等，在LS-DYNA環境下實現事故過程的碰撞仿真。通過分析假人的碰撞響應及力學參數變化，評估預測乘員損傷，以提高事故幸存率為目的，為臥鋪車廂內部設施的耐撞性優化設計提供理論支撐。

1 碰撞場景的選擇和模型建立

近10年發生的幾次事故表明：雖然臥鋪車廂通常位于列車編組的中后端，在事故中一次碰撞的幾率較低，但由于臥鋪車廂的被動安全防護弱于硬座車廂，乘員二次碰撞損傷和內部設施優化問題依然不容忽視。

25T型列車的硬臥與軟臥車廂均采用單元式布局，如圖1所示的一個臥鋪單元結構。車廂主要尺寸見表1。

圖1 25T型臥鋪車廂內部布置結構圖(單位：mm)

車廂單元乘員數量/人鋪位寬度/mm下鋪高度/mm備注硬臥6573370圖1(a)軟臥4700430圖1(b)

1.1 碰撞場景描述

臥鋪單元具有重復性和獨立性的特點，同時考慮乘員在臥鋪車廂中的主要狀態，建立4個典型碰撞場景，如圖2所示，圖中圓圈里的數字為假人的編號。碰撞場景模型信息見表2。

圖2 臥鋪車廂單元的碰撞場景

場景車廂單元假人數量/個假人姿態附加結構備注場景1硬臥4坐姿餐桌圖2(a)場景2硬臥6臥姿護欄圖2(b)場景3軟臥4坐姿餐桌圖2(c)場景4軟臥4臥姿護欄圖2(d)

1.2 有限元模型

碰撞場景模型采用全積分殼單元進行網格劃分。硬臥車廂有限元模型(不含假人)共計94 290個節點，94 060個單元。軟臥車廂有限元模型(不含假人)共計235 523個節點，235 838個單元。

人體與內部結構的接觸剛度使用圖3中的試驗值[10]。

采用美國公共交通協會(APTA)制定的《軌道客車乘客座椅行業標準》(APTA SS-C&S-016-99)[11]作為依據，此標準明確規定軌道客車內部結構耐撞性評估的載荷曲線，如圖4所示的三角形沖擊波，沖擊加速度在125 ms時達到最大值8g，250 ms時減到0g。

采用LSTC公司的Hybrid Ⅲ 50th臥姿和坐姿剛性體假人模型，假人有限元模型由殼單元、體單元、梁單元、彈簧單元和質量單元組成，單元數量見表3。

圖3 餐桌、床的接觸剛度

圖4 標準載荷曲線

假人殼單元體單元梁單元彈簧單元質量單元坐姿1 6382 6483832臥姿1 6062 6443832

2 乘員損傷判據標準

相關事故傷亡統計表明[1]，在列車碰撞事故中大部分重傷乘員的受傷部位為顱腦、胸部和四肢。為了評估乘員在事故中不同部位的碰撞傷害，引入汽車乘員碰撞的損傷標準[12]建立損傷參數，分別用于評估人體的顱腦、胸脊部以及腿部的傷害。

頭部損傷評估指標HIC(Head Injury Criterion)的定義為

(1)

式中：a(t)是頭部質心點處的合成加速度；t1和t2是碰撞過程中間隔不大于36 ms的兩個任意時間點。

依據美國汽車醫學協會(American Association for Automotive Medicine)制定的簡明損傷定級(Abbreviated Injury Scale，AIS)衡量乘員損傷情況。HIC36值與AIS損傷等級對比關系見表4。

表4 頭部HIC36與AIS等級對比關系

胸部損傷評估指標TC3 ms(Thoracic Cumulative 3 ms Injury Criterion)的定義為胸部重心處持續受到不短于3 ms時長的沖擊加速度的最大值。TC3 ms與AIS損傷等級對比關系見表5。

表5 胸部TC3 ms值與AIS等級對比關系

腿部損傷評估指標脛骨指數TI(Tibia Index)和脛骨壓縮力FZ，脛骨指數TI的定義為

(2)

根據上述標準，當脛骨指數TI>1.3、脛骨壓縮力FZ>8 kN，即說明腿部會受骨折、脫臼等傷害。

3 假人碰撞姿態響應

3.1 坐姿假人響應

圖5(a)中1號假人在標準載荷的作用下從鋪位被拋出，在102 ms胸部與餐桌發生碰撞且在反彈站起的過程中在314 ms與中鋪床棱發生碰撞。4號假人在整個碰撞過程中響應幅度相對較小，僅在98 ms與側墻發生碰撞。

圖5(b)中2號假人在173 ms腿部與下鋪床棱發生碰撞導致頭部前傾，在406 ms頭部與3號乘員的胸部發生碰撞。2號假人在回彈的過程中頭部在478和708 ms與中鋪床棱發生兩次碰撞。

軟臥車廂中的12號假人在105 ms與餐桌發生碰撞，13號假人在104 ms與側墻發生碰撞，11號假人在503 ms與14號假人發生碰撞，如圖5(c)和(d)所示。

圖5 坐姿假人的碰撞響應

3.2 臥姿假人響應

硬臥車廂的中鋪6號、9號假人分別與上鋪5號、10號假人的姿態響應一致，假人在標準載荷的作用下與鋪位發生相對位移，手臂首先與護欄或側墻接觸，頭部和腿部將繼續運動，如圖6(a)所示。由于下鋪沒有護欄限制假人的橫向運動，7號假人從原始位置被拋出后頭部直接與餐桌發生碰撞，且7號假人下肢與8號假人發生碰撞，如圖6(b)所示。

軟臥車廂的臥姿假人的碰撞響應與硬臥臥姿假人基本相似，如圖7所示。軟臥車廂的15號假人在與護欄發生碰撞后從上鋪翻滾跌落下來，在588 ms砸落在16號假人的身體上。

相同假人布置的碰撞場景由于硬、軟臥車廂的內部結構差異將導致假人產生不同程度的響應。軟臥車廂中的11號和12號假人在與14號假人或餐桌發生碰撞后在反彈站起過程中并不會與上鋪床棱發生碰撞，是由于軟臥車廂的上、下鋪高度差比硬臥中、下鋪的高度差多115 mm。由于軟臥鋪位比硬臥寬127 mm造成假人與鋪位的相對運動距離較大，導致15號假人在與護欄發生碰撞后從上鋪翻滾跌落下來。

圖6 硬臥臥姿假人的碰撞響應

圖7 軟臥臥姿假人的碰撞響應

4 乘員損傷預測與分析

4.1 頭部加速度與損傷

在列車碰撞事故發生時車體受到突然的減速度作用，而車廂中的乘員與隨同車體減速的列車內部結構或車廂中其他乘員發生碰撞，將會對乘員造成嚴重的損傷。坐姿1號假人在314 ms與中鋪床棱的碰撞，頭部加速度峰值達到342g。2號假人在478和708 ms與中鋪床棱發生兩次碰撞，頭部加速度峰值分別達到324g和193g。背對車輛前進方向的乘員由于側墻的阻擋，頭部加速度將遠小于面對車輛前進方向的乘員。坐姿假人的頭部加速度如圖8所示。

臥姿7號和16號假人頭部分別在168和172 ms直接同餐桌發生碰撞，頭部加速度峰值分別達到295g和266g。臥姿假人的頭部加速度如圖9所示。

圖8 坐姿假人頭部碰撞加速度

如表6所示，假人的HIC36值在157～2 382之間。臥姿假人的HIC36相對較小，但與餐桌直接發生碰撞的7號與16號假人的HIC36達到2 144和1 910，頭部發生嚴重骨折，導致乘員死亡或無法搶救，其余臥姿假人HIC36值為157至186之間，頭部僅僅受到輕微傷害，出現頭痛、眩暈等癥狀。背對前進方向的坐姿假人的身體與側墻發生碰撞，HIC36值較小為510至589之間，可能出現暫時性的意識喪失等癥狀。面對前進方向的坐姿假人在被拋出座位與餐桌、對面假人或中鋪床棱發生碰撞，HIC36位于1 624至2 382之間，可能造成長時間意識喪失或腦血腫、大動脈破裂等致命性傷害。

圖9 臥姿假人頭部碰撞加速度

表6 不同姿態假人的HIC36與TC3 ms

4.2 胸部加速度與損傷

假人身體各部位與車廂內部設施發生碰撞后加速度均可能傳遞到胸部，導致胸部加速度曲線一般呈現多個峰值。坐姿乘員胸部最大的威脅是與餐桌發生的直接碰撞，1號和12號假人胸部與餐桌發生碰撞，胸部加速度峰值達到64g。坐姿假人的胸部加速度如圖10所示。

假人胸部加速度最大峰值出現在上鋪15號假人砸落到下鋪16號假人時，15號假人胸部加速度在588 ms出現153g的峰值，可能導致上鋪乘員死亡或無法搶救。臥姿假人的胸部加速度如圖11所示。

圖10 坐姿假人胸部碰撞加速度

圖11 臥姿假人胸部碰撞加速度

如表6所示,假人的TC3ms值在12～153之間。臥姿假人的TC3 ms相對較小，與餐桌直接發生碰撞的1號假人達到64g，胸部發生肋骨骨折但無呼吸困難。軟臥車廂中的15號假人在588 ms從上鋪跌落與16號假人發生碰撞，導致15號和16號假人的TC3 ms分別達到153g和78g，可能造成致命性損傷。其他假人的TC3 ms位于12g至58g之間，受到中低程度的損傷。

4.3 腿部受力與損傷

使用公式(2)計算得到上述場景中假人的脛骨指數TI和脛骨壓縮力FZ，見表7。假人腿部的嚴重損傷發生在坐姿假人腿部與對面下鋪床棱碰撞時，2號和11號假人的脛骨指數TI值分別達到4.32和2.31，脛骨壓縮力FZ分別達到46.54和34.44 kN。12號假人脛骨壓縮力FZ達到8.78 kN。2號、11號和12號假人的腿部會發生骨折。其他假人脛骨指數TI和脛骨壓縮力FZ均小于相關標準許可值，說明在碰撞過程中其他位置乘員的腿部相對安全，不會發生骨折和脫臼。

表7 不同姿態假人的TI和FZ值

5 結 論

基于仿真分析結果，硬臥車廂中的坐姿乘員的頭部與中鋪床棱發生兩次碰撞，其頭部HIC36為2 382，可能造成致命傷害；下鋪臥姿乘員頭部直接和餐桌發生碰撞，其頭部HIC36為2 144，可能產生致命傷害；軟臥車廂的上鋪乘員在與護欄碰撞后，砸落在下鋪乘員身上，其胸部TC3 ms為153g，可能產生致命傷害。

為避免下鋪臥姿乘員頭部與餐桌發生碰撞接觸，可在下鋪增加限制臥姿乘員橫向位移裝置，例如護欄。臥鋪車廂在無法增加被動安全裝置的條件下，可以考慮改進與乘員接觸結構的形狀和材料以降低乘員損傷的可能性，如將餐桌設計為吸能材料的蜂窩結構，可以滿足承載和碰撞條件下主動變形的雙重要求。

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