列车乘员二次碰撞损伤及桌板参数优化

卢嘉茗,秦睿贤,,王希,刘莉,陈秉智

(1.大连交通大学 机车车辆工程学院,辽宁 大连 116028;2.中车唐山机车车辆有限公司 技术研究中心,河北 唐山 064000)

列车运行速度日益提高,一旦发生碰撞事故,会造成严重的人员伤亡和财产损失[1]。碰撞事故中,旅客受到的物理损伤主要包括以下两种:一种是列车发生剧烈碰撞,车辆结构挤压变形,乘员生存空间受损,加速度超过人体耐受极限而受到的伤害,称为一次碰撞损伤;另一种是列车受到冲击载荷后,惯性导致乘客与座椅、桌板、行李架等列车内部结构发生碰撞而受到伤害,称为二次碰撞损伤。大量事故统计显示,二次碰撞造成的乘员损伤远高于一次碰撞,致命风险也更高[2-4]。

为降低二次碰撞造成的乘员伤亡,国内外学者和机构开展了大量试验和研究。英国铁路安全与标准委员会在研究座椅尺寸、是否加装安全带等内饰参数研究的基础上,修订并发布GM/RT 2100 Issue4,补充了列车内饰的要求[5]。英国列车运营公司协会通过大量的现场还原和事故分析,探究车辆内饰与乘员损伤的关系,颁布了AV/ST 9001 Vehicle Interior Crashworthiness,从内饰设计上改善乘员二次碰撞影响[6]。美国公共交通协会(APTA) 制定了APTA SS-C&S-016-99 《轨道客车乘客座椅行业标准》也对座椅测试提出了详细的要求[7]。Wang等[8]通过构建列车驾驶室局部碰撞模型,分析了驾驶员和操作台之间的二次碰撞,针对不同的损伤部位,找到驾驶员座椅位置的帕累托最优解。Yang等[9]比较了列车碰撞时乘客避险保护姿势对二次损伤的影响,提出了一种能有效降低乘客腿部和颈部的损伤的安全防护姿势。Hou等[10]采用三枢轴的头颈-上躯干模型评估列车驾驶员在碰撞事故中的4种颈部损伤机制,发现控制台边缘厚度对颈部损伤影响最大,控制台和座椅间距以及踏板高度也对驾驶员的碰撞损伤有不同程度的影响。Wei等[11]改进座椅靠背的铰链结构,增设座椅折叠的弹簧阻尼,有效缓解乘员的二次碰撞损伤。佟鑫等[12]使用数值仿真的方法对比分析了新型纵向卧铺和25T型横向卧铺卧姿乘员的二次损伤,发现纵向卧铺有利于降低二次损伤。赖森华等[13]建立地铁车-假人耦合三维多刚体动力学模型和头-地板耦合有限元模型,来研究不同姿态对头部损伤的影响规律。

尽管学者们提出了较多用于降低乘员在碰撞事故中损伤程度的方法,但由于轨道车辆座椅数量较多,成本和实用性也成为制约优化方案能否得到应用的重要因素。在现有结构改动较小的情况下降低乘员碰撞损伤,对提高安全性能具有明显的实际意义。本文通过对内饰桌板参数进行优化设计进而实现降低乘员损伤,尽量避免车辆结构性改变,实现低成本的乘员安全防护。通过建立列车局部碰撞有限元模型,监测碰撞事故中假人的头部和胸部质心位置合成加速度以及颈部和股骨所受载荷,研究桌板的尺寸参数对乘员损伤的影响。并根据假人损伤结果,建立数值近似模型,优化内饰桌板尺寸,减小乘员二次损伤。

1 列车乘员碰撞安全性分析

1.1 有限元模型

本文以某列车座椅-桌子局部结构模型和假人模型构建列车内部乘员二次碰撞场景,见图1。使用HyperMesh软件,建立座椅、桌子、侧墙和地板有限元模型。座椅和桌板的金属结构采用7005铝合金材料,材料模型为MAT024_PIECEWISE_LINER_PLASTICITY,坐垫、靠背和扶手等海绵材料使用MAT057_LOW_DENSITY_FOAM材料模型,7005铝合金和聚合物泡沫的应力-应变曲线见图2,地板和侧墙设置为刚体。列车局部碰撞有限元模型(不含假人)共计155 074个节点,149 886个单元。采用LSTC公司的Hybrid Ⅲ型50%男性刚性体假人模型,假人的头部、胸腔质心位置设置加速度传感器,输出碰撞过程中的加速度响应。假人鞋子和地板的摩擦系数[14]设为0.7,假人与坐垫、靠背的摩擦系数[15]设为0.4,金属结构自接触摩擦系数设为0.15。

图1 碰撞仿真模型

图2 7005铝合金和聚合物泡沫的应力-应变曲线

本文根据美国APTA SS-C&S-016-99中规定的加速度载荷曲线,对列车局部模型的地板和侧墙实施动态加载,载荷曲线见图3。冲击加速度先线性增加,在125 ms达到最大值8g后线性减小,250 ms降为0。

图3 APTA标准载荷曲线

1.2 乘员损伤评价标准

APTA标准对列车碰撞事故中乘员重伤位置出现频率较高的颅部、颈部、胸部和股骨提出了详细的要求[7]。需要说明的是,当乘员损伤评价准则小于允许值时,乘客仍会受到伤害,所以应尽可能减小乘员损伤指标。

(1)头部损伤判据Head Injury Criterion (HIC15)

头部损伤判据的表达式为:

(1)

式中:ar是头部质心合成加速度;t1和t2是碰撞过程中相隔不大于15 ms的两个任意时间点;当HIC15<700时,假人的头部损伤判定为安全。

(2)胸部损伤判据Thorax Acceptability Criterion (ThAC)

将胸部质心位置的合成加速度作为胸部损伤的判据,一般认为加速度持续时间大于3 ms的部分不应超过60g。

(3)股骨损伤判据Femur forces(Fa)

股骨轴向力应小于10 008 N,左腿股骨轴向力记为FaL,右腿股骨轴向力记为FaR。

(4)颈部损伤判据Neck injury criterion (Nij)

在碰撞过程中,颈部由于其椎骨结构特点,当上端枕髁处受轴向力Fz和俯仰弯矩Mocy产生的作用效果不同时,会产生4种不同组合变形:拉伸并向前弯曲、拉伸向后弯曲、压缩向前弯曲和压缩向后弯曲。为综合评价不同变形情况下的颈部损伤,由下式定义颈部损伤判据:

Nij=(Fz/Fzc)+(Mocy/Myc)

(2)

式中:当Fz为拉力时,轴向力判据Fzc= 6 806 N;当Fz为压力时,Fzc= 6 160 N;向前弯曲时,弯矩判据Myc= 310 N·m;向后弯曲时,Myc= 135 N·m。碰撞过程中的任意时刻Nij都不能大于1。

为了能够综合评价二次碰撞损伤,宏观考虑乘员不同位置的受伤程度,根据损伤部位对乘员生命的威胁性,对头部、胸部和股骨位置损伤判据加权得到综合损伤判据WIC[9]。计算公式为:

(3)

2 乘员碰撞损伤分析

2.1 乘员的姿态响应

列车局部碰撞模型的动态响应见图4。碰撞事故发生后,假人胸腹部受到桌板剧烈冲击,产生较大变形,由于桌板刚度较大,假人腹部与桌板迅速达到相对静止状态。假人上体由于惯性继续以桌板前沿为轴向前翻转,直至假人胸腹部达到最大压缩变形。假人颈部前伸,承受拉伸弯曲载荷,头部与桌板后沿发生接触,颈部转为向后拉伸运动。假人上体受桌板冲击回弹,以桌板前沿为轴向后翻转,膝盖与桌板发生接触,腿部受到向下的冲击载荷,假人位置出现回落,二次碰撞结束。

图4 假人二次碰撞姿态变化

表1列出了碰撞过程中假人的二次损伤数据。头部、颈部和胸部损伤值分别为1 635、1.254和87.92g,分别超过临界值的133.57%、25.4%和46.53%。胸部损伤来自桌板前沿的碰撞,头部和颈部损伤来自假人头部与桌板后沿的冲击,最大腿部损伤为腿部与桌板底面的碰撞。二次损伤都来自列车内饰桌板与乘员的直接接触,改变桌板的定位尺寸或外形尺寸可能会影响假人的运动姿态,进而降低乘员损伤。

表1 假人二次损伤数据

2.2 桌板尺寸参数对乘员损伤的影响

如图5所示,X为桌板前沿到H点(乘员入座后髋关节中点)的水平距离,Z为桌板上表面到H点的垂直距离,T为桌板的厚度。为满足乘客旅行舒适度要求,桌板到假人H点的水平距离应控制在300～500 mm,桌板平面到假人H点的垂直距离应控制在200～300 mm,桌板厚度的设计域在25～45 mm[16]。

图5 桌板的尺寸参数

本文采用正交试验设计方法对设计空间进行抽样,在设计域内选取三因子五水平共25个采样点,采样点空间排布见图6。

图6 正交试验采样分布

对25个采样点进行对应状态下的假人损伤分析,研究桌板尺寸参数对假人损伤的影响规律。如图7所示,随着桌板前沿与H点的水平距离X增加,头部和颈部损伤上升,胸部损伤在450 mm处达到最大值,腿部损伤变化平缓;随着桌板上表面与H点的垂直距离Z增加,颈部、 胸部和腿部损伤下降,头部损伤先上升后下降;随着桌板厚度T增加,头部、颈部和胸部损伤先上升后下降,腿部损伤变化平缓。

(a) 头部损伤

综合仿真结果中假人姿态响应,分析上述损伤变化趋势。水平距离X和垂直距离Z共同决定了二次碰撞发生的时间和乘员的第一损伤位置,桌板厚度T影响胸部压力和接触区域面积。列车内饰结构受冲击载荷减速时间越长,与假人胸部碰撞时相对速度越大,乘员损伤越严重;乘员的第一损伤位置不同直接影响假人的姿态响应,从而改变假人受力方式;由于假人不同位置刚度不一致,桌板厚度对乘员损伤影响呈非线性。

3 桌板尺寸参数的多目标优化

3.1 代理模型和误差分析

代理模型方法是一种结合试验设计和统计分析的插值算法,同时具有参数化模型处理多维数据的能力和非参数模型灵活性的优点[17]。本文通过克里金代理模型方法分别构造颈部损伤参数Nij和综合损伤参数WIC在不同桌板尺寸参数下的响应关系,拟合类型为各向异性,相关函数使用Gaussian平滑近似模型。

由于近似模型包含近似值与实际值之间的随机误差[18],应当评估代理模型的精度,常用的判断代理模型可信度的指标有平均误差(RMSE)、最大误差(RMAE)、均方根误差(RAAE)和相关系数R2,表达式为:

(4)

(5)

(6)

(7)

选择部分样本点对代理模型进行交叉验证,见图8。颈部损伤Nij与综合损伤WIC的预测值与真实值基本接近。从表2的误差分析结果可以看出,所建立的近似模型具有较好的精度,可以进行多目标优化分析。

表2 代理模型误差分析

(a) 颈部损伤指标Nij

3.2 多目标优化模型和结果

定义颈部损伤参数Nij和综合损伤参数WIC最小为优化目标,列车内饰桌板尺寸参数为设计变量,该优化问题的数学表达式为:

(8)

采用NSGA-Ⅱ遗传算法求解上式给出的桌板参数优化问题,种群规模为60,遗传代数为100,交叉概率为0.9,交叉分布指数为10,突变分布指数为20。经过6 000次寻优得到颈部损伤参数Nij和综合损伤参数WIC的Pareto前沿解集,见图9。采用最小距离准则选取兼顾颈部损伤和综合损伤的最优解。桌板前沿到H点的水平距离X为300.02 mm、桌板上表面到H点的垂直距离Z为282.85 mm、桌板厚度T为39.08 mm,颈部损伤参数Nij为0.536,综合损伤参数WIC为0.253。

图9 桌板参数Pareto前沿解集

3.3 试验验证

为了验证代理模型优化结果的可信度,使用Pareto最优解得到的内饰桌板尺寸参数建立列车座椅-桌子-假人局部结构模型,对优化后的列车内部乘员进行二次碰撞仿真分析,载荷工况同前文所述,见图10。

图10 优化后列车局部-假人有限元模型

图11为优化后碰撞模型中的动态响应,假人胸部与桌板前沿接触挤压变形, 假人下肢由于惯性向前摆动,撞击桌板下表面,受到反向的冲击载荷,使假人回落座位,二次碰撞结束。

图11 优化后假人二次碰撞姿态变化

优化后列车局部碰撞模型的仿真计算结果中,颈部损伤参数Nij为0.527,与代理模型计算结果的误差为1.68%;综合损伤参数WIC为0.249,与代理模型计算结果的误差为1.58%。仿真计算结果与代理模型损伤计算结果相差较小。

3.4 优化前后假人损伤结果对比

表3为假人在优化后列车局部模型中的头部、颈部、胸部和腿部损伤结果。图12是优化前后假人各部位的损伤曲线对比。与原设计相比,假人头部最大合成加速度大幅减小,头部损伤判据HIC15由1 635下降到85.48,损伤降低94.77%。桌板尺寸优化后,假人在碰撞过程中头部没有与桌板发生碰撞,因此头部损伤降低。胸部合成加速度减小,胸部损伤判据ThAC由87.92g下降至27.58g,降幅达到68.63%。左右腿股骨轴向力都有明显减小,分别由7.75和7.79 kN下降到2.78和3.00 kN,分别下降了64.13%和61.49%。桌板尺寸优化后,假人头部在碰撞过程中没有与桌板发生碰撞, 假人颈部载荷的最大值相较原设计减小,假人头部运动仅通过颈部拉伸停止,作用时间较原设计延长,颈部损伤参数由1.254下降到0.527,下降了57.97%。

表3 优化后假人模型损伤值变化

(a) 头部质心合成加速度

综上所述,在桌板参数优化后,假人的头部、颈部、胸部和腿部的损伤参数都有不同程度的改善。

4 结论

为降低列车碰撞时内部结构对乘员的二次碰撞损伤,本文使用列车局部模型和假人模型进行二次碰撞损伤分析并优化设计列车桌板的尺寸参数,得到如下结论:

(1)在APTA标准三角形加速度载荷加载下,假人头部与桌板后沿碰撞,导致假人头部、颈部、胸部损伤参数大于损伤临界值,乘员在二次碰撞过程中有致死风险。

(2)桌板相对位置和尺寸参数对乘员损伤有较大影响,可以通过改变参数来降低乘员的二次碰撞损伤。

(3)优化后的桌板避免了对头部的冲击,乘员头部、颈部、胸部和腿部的二次碰撞损伤显著降低,桌板参数优化可为车厢内饰乘员防护性设计提供参考。