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公交巴士在正面碰撞中的结构耐撞性
摘要 - 根据1999-2003年的交通安全事实报告，巴士乘客平均每年发生40人死亡和18,430人受伤。 巴士撞车事故中有百分之六十四涉及死亡事故，百分之三十七的撞车受伤事故是由正面碰撞影响造成的。 本文提出的研究目标是描述典型的正面碰撞事故情景下常规低地板公交车的结构性能，并开发结构设计概念，以提高公共汽车的正面碰撞兼容性。 这项研究的结果可能由未来的行业实施，以减少乘员的伤害和死亡事故
符号
恢复系数
能量耗散
巴士的结构力量
合作车辆的结构力量
合作车辆的线性刚度
线性刚度，总线
合作车辆质量
质量，公共汽车
合作车辆的最终碰撞速度
合作车辆的初始碰撞速度
巴士的最终碰撞速度
巴士的初始撞击速度
合作车辆的粉碎距离
巴士粉碎距离
介绍
大客流运输系统，特别是公共汽车系统，是全国运输网络的关键要素。公共汽车是最安全的交通方式之一，但是巴士撞车造成乘客受伤和死亡。因此，耐撞性研究是一项持续的工作。
为了使研究的效用最大化，NIAR审查了描述与公共巴士事故相关的伤害和死亡事故的统计数据。美国集中的公交车类型的一般统计数据;学校和城市间的公共巴士成一个单独类别。在堪萨斯州和佛罗里达州的四个地区找到了公共巴士的具体数据。尝试获取更多地区的数据并不成功。如参考文献[1]所述，没有收集公共汽车碰撞数据的标准。此外，并非所有机构都收集碰撞数据。根据NIAR对公交车机构的询问，参考文献[2]中作者的经验和该项目的范围，NIAR决定继续处理可用的碰撞数据。本报告中提供的所有数据均由其他机构报告的数据汇编而成，列于“参考文献”部分。
交通安全事实概要（1999-2003）
交通安全事实报告[3,4,5,6和7]是由美国国家公路交通安全管理局（NHTSA）提交的机动车辆碰撞数据的年度汇编。来自死亡率分析报告系统（FARS）的数据和全国汽车抽样系统综合评估系统（GES）相结合，产生了交通安全事实。 FARS数据库成立于1975年，记录来自交通事故死亡的数据。 GES数据库建立于1988年，记录了全国具有代表性的警察样本中的数据，报告了所有严重的碰撞事件，包括导致死亡，受伤或财产损失的事件。在交通安全报告中，巴士被定义为“用于运载十多名乘客的大型汽车，包括校车，城际巴士和公交车”。交通安全报告中显示的数据通常按照事故严重程度分组，其中包括以下几类：（1）致命的事故。在警方报道的一起涉及机动车辆的交通事故中，至少有一人在事故发生后30天内死亡。 （2）在警方报道的一起涉及机动车辆的交通事故中，没有人死亡，但至少有一人被告知有下列情况：（i）无法行动的受伤; （ii）可见但没有受伤的伤害; （iii）可能的，不明显的伤害;或（iv）严重程度不明的伤害。
车辆
bull;涉及死亡事故的公共汽车碰撞事故中，有64％是由于前面的影响造成的。 后方影响占16％，侧面作用占14％。
bull;涉及伤害的巴士撞车的初始影响均匀分布，前部占37％，侧面为36％，后部为25％。
bull;发生碰撞事故的巴士不足3.1％发生翻车事故，并且有0.1％的巴士因碰撞事故而受伤。
bull;在涉及死亡事故的巴士中，不到0.3％的巴士发生火灾，而遇到撞车事故的巴士不到0.05％。
bull;发生致命事故的公共汽车有38％是学校巴士，36％公交巴士，11％其他巴士，9％城际巴士，6％是未知数。
图1. 在最初的影响下，1999-2003年间，在碰撞中涉及死亡和受伤事故的公共汽车
涉及致命事故公共汽车总结（1999 - 2001年）
参与致命事故的公共汽车（BIFA）[8]报告介绍了由密歇根交通研究所（UMTRI）编制的涉及交通事故的公共汽车统计数据。 BIFA数据库是对所有涉及美国致命事故的公交车进行人口普查，并提供在FARS档案中记录的公共汽车的覆盖范围。 BIFA将来自FARS的车辆，事故和乘客记录与BIFA调查中有关公交车的物理配置和操作权限的信息结合起来。
仿照UMTRI参与致命事故的卡车（TIFA）计划，BIFA调查收集了涉及所有致命交通事故的所有巴士的详细信息。 公共汽车被定义为包含驾驶员在内的九人以上座位的机动车辆，这些机动车辆不作为私人交通工具使用，并且所有机动车辆的座位数为16或更多。 BIFA文件每年从1999年数据年开始，由国家公路交通安全管理局国家统计和分析中心汇编的FARS文件中提取的公交记录调查。
BIFA报告中提供的数据包括所有巴士类型。 本报告中汇总的数据仅侧重于城际巴士。涉及致命事故中所涉巴士的数目。 死亡人数是指公交车和/或其他涉案车辆的乘员死亡人数。 城际是主要在城市地理区域内通过固定的定期路线提供客运的公交。
图2.致命交通公共汽车涉及的以英里/小时速度限制，1999-2001摘要。
1999年至2001年的趋势：
事故
bull;单辆城际巴士产生的致命事故中99％的与在道路上撞击到物体有关
bull;在同一交通道路上行驶的两辆城际巴士产生的致命事故中82％的是由同一个方向由后方的公交车撞击引起。
bull;在同一交通道路上行驶的两辆城际巴士产生的致命事故中88％的是由不同方向公交专车道发生正面碰撞造成的。
bull;在相交道路上行驶的两辆城际巴士产生的致命事故中77％的是由于一辆公共汽车撞向另一辆车的侧面。
bull;第一次有害事件 - 与非固定物体碰撞的致命过境公共汽车中有52％是在交通工具中发生的，41％与其他类型的非驾驶者发生过交通事故。
bull;车辆撞击公共汽车时，发生车辆事故的致命过境公共汽车中有68％涉及事故。
bull;当地街道（乡镇）发生58％的致命过境公共汽车事故，州际高速公路事故发生率为15％，县级公路事故发生率为8％。
bull;55％的致命过境巴士涉及2条行车线。
bull;63％的致命过境公共汽车事件发生在25-35英里之间。
车辆
bull;更短，重型的公交公交车占致命中转巴士的73％。
bull;巴士占致命中转巴士乘客量的99％。
bull;低平台巴士占致命中转巴士的65％。
bull;平面巴士占致命中转巴士的96％。
bull;36-40英尺长的巴士占致命过境巴士乘客的61％。
bull;空车重量为25,001-30,000磅的公共汽车占致命中转巴士乘客的70％。
bull;总重量超过33,001磅的公共汽车占致命中转巴士乘客的62％。
bull;89％的致命过境巴士涉及2辆公交车。
bull;乘客座位数为36至45人的公共汽车中，有55％是致命过境巴士，不包括司机。
bull;88％的致命过境公共汽车发生在没有乘客限制的公共汽车上，不包括司机。
bull;当地旅行中发生致命过境公共汽车的84％bull;对于与非固定物体碰撞的最有害事件，致命过境公共汽车涉及，53％是交通工具，41％是行人。
前部碰撞的结构耐撞性
数值模型被用来进行这个耐撞性研究。 低地板公交车型号已被验证用于正面，背面，侧面和侧翻冲击条件（有关更详细的型号信息，请参阅参考文献9）。 小型货车和轿车有限元模型已被验证用于正面和偏移冲击条件（参考文献10）。 尽管F800和C2500有限元模型没有可用的公共领域验证报告，但是这些模型用于评估公交总线性能。 选择较低B柱区域的加速度计进行分析，并选择过境巴士的乘客/司机室（见图3）。
图3.加速度计位置。
对于两辆车相撞，动量守恒定义为：
恢复系数定义为碰撞前后的速度比;
=
通过求解上述方程组，两次车辆撞击时的残余速度分别为：
=
=
碰撞时车辆结构耗散的能量由碰撞前后的动能差确定;
通过代入上式中的剩余速度，能量耗散方程变成：
对于公共汽车到车辆的正面碰撞，我们可以假设恢复系数近似为零，因此能量耗散方程变为;
考虑到质量和初始速度是已知的，上式（EQ 2）可用于预测两辆车在撞击过程中吸收的能量。 如果初始速度和最终速度已知，则应使用方程1。
当车辆刚度和挤压值已知时，可以计算另一种方法来计算冲击过程中耗散的总能量;
考虑到质量和初始速度是已知的，上式（EQ 2）可用于预测两辆车在撞击过程中吸收的能量。 如果初始速度和最终速度已知，则应使用等式1。
当车辆刚度和挤压值已知时，可以计算另一种方法来计算冲击过程中耗散的总能量;
如果我们假设车辆刚度方程3的线性行为变为;
如上面的公式所示，三个因素影响正面碰撞场景的耐撞性行为; 这些是质量，刚度和冲击速度。 车辆质量和冲击速度的影响相对简单。 但是，要确定刚度和几何兼容性效果需要进一步分析。
表1.车辆质量概述
根据“标准巴士采购指南”，FMVSS汽车标准，交通安全事实，BIFA报告和当地过境机构数据的数据，分析了表2中所示的以下碰撞情景。
表2.正面碰撞模拟矩阵
图4.正面碰撞配置示例
图5.公交总线X - 速度变化和X - Bus CG加速计处的加速度。
图5显示了加速度和德尔塔V总线剖面图的总结。从这些剖面图中可以将典型的公交车事故严重程度分为四组：
bull;严重程度低的影响（0 m / s lt;Delta;V巴士lt;3 m / s）：巴士在巴士撞击速度高达48 kph（30 mph）时撞击静止或移动的车辆（质量小于2000 kg），例如碰撞情况 表2中的14和15（见图6,7和8，公交48公里到道奇霓虹0公里后方碰撞）。 对于这些类型的碰撞，总线主体结构的任何部分都不会损坏。保险杠系统可能需要更换。请注意，公交车内部隔间不存在任何入侵。图6.公交客车加速度和速度曲线[案例15公交48公里到道奇霓虹0公里后部冲击]。
图7.霓虹灯B柱加速度和速度曲线[案例15总线48 kph到道奇霓虹灯0 kph后部碰撞]。
图8.案例15巴士48公里（30英里）至道奇霓虹灯0公里后部撞击
bull;中等严重程度的撞击（3 m / s lt;Delta;VBus lt;6 m / s）：冲击速度高达48 km / h（30 mph）时，车辆与移动车辆（质量小于2000 kg）的正面碰撞，例如碰撞条件3 表2中的5个（见图9至15）。 对于这些类型的碰撞，由于较高的结构载荷，前轴的前部结构可能需要小修，如图15所示。公交车内部隔间没有入侵（见图11,14和20）。
图9.公交客车加速度和速度曲线[案例5公交48公里到道奇霓虹灯48公里前缘100％重叠影响]。
图10.霓虹灯B柱加速度和速度曲线[案例5总线48 kph到道奇霓虹灯48 kph正面100％重叠撞击]。
图11.公交48公里至道奇霓虹灯48公里每小时100％重叠影响
图12.过境巴士加速度和速度曲线[情况3巴士48 kph到Minivan 48 kph特殊100％重叠影响]
图13. Minivan B柱加速度和速度剖面图[案例3总线48 kph到Minivan 48 kph正面100％重叠撞击]。
图14.公交48公里到小型货车48公里每小时100％重叠影响。
图15.情况3和情况5的总线前部结构部分力。
bull;严重程度较高的撞击（6 m / s lt;Delta;V巴士lt;14 m / s）：撞击速度高达48 km / h（30 mph）时，大型移动车辆（质量高于5000 kg）的公交车正面碰撞，例如碰撞情况 表2中的4和7（见图16至20）。 对于这些类型的碰撞，由于较高的结构载荷和公交车内部隔间的入侵，前轴，前面板和驾驶室前方的底盘结构可能需要大修。 这些入侵水平显着降低了公交运营商的生存空间（见图17和图20）。
图16.公交客车加速度和速度曲线[情况4客车48公里至F800 48公里每小时100％重叠冲击]。
图17.案例4总线48 kph到F800 48 kph正面100％重叠影响。
图18.过境巴士加速度和速度曲线[案例7巴士48 kph到F800 48 kph正面40％重叠碰撞]。
图19.案例7总线48 kph到F800 48 kph正面40％重叠影响
图20.典型的低，中，高严重碰撞条件下的结构变形。
bull;刚性墙面影响：由于公交车辆的平面前部设计刚性墙面测试不代表真实世界碰撞场景的结构行为。 如图22中载荷箱1（48 kph刚性墙）所示，由于冲击载荷与上部总线结构的共享分布，前端下部底盘结构载荷较低（20至80 kN）。 这种载荷传递机制在真实世界中不会发生，负载通过保险杠和底盘结构传递。
图21.各种刚性壁测试条件下的典型过境总线CG减速曲线。
图22.刚性墙48公里正面碰撞。
表3.车辆线性刚度概述。
*基于仿真结果。 **基于NHTSA刚性阻隔测试[6]
正面影响结构设计概念
当碰撞伴侣是较重的车辆时，碰撞中的动量守恒使较小的车辆处于根本缺陷。如表1所示，公交车和碰撞伙伴车辆之间的质量差异很大。在本研究分析的正面碰撞中，刚度较低的车辆（即大篷车和氖）吸收大部分碰撞能量。例如，在公交车和大篷车之间
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