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列车碰撞过程中乘客在座位上的动作分析
福山敬介，杉川义宏，山崎国野，
大野浩二，志郎裕明，斋藤绫野，内藤广治
日本汽车研究所，安全部门，碰撞安全，2530 Karima, Tsukuba, Ibaraki 305-0822，日本
**日本，东京，国邦寺，hikario -cho 2-8-38，人类科学部，铁路技术研究所，185-8540
摘要
本研究的目的是通过计算机模拟和台车测试，获得有利于减少旅客伤害的列车碰撞参数。由于在实际的事故中，很多坐在长椅上的乘客由于受到侧面隔板的撞击而胸部受伤，因此我们开发了一个模型来模拟列车上坐着的乘客。然后，我们使用乘员模拟模型(THUMS-AM50)分析了胸部的挠度，并估计了胸部损伤的严重程度。在计算机仿真和台车冲击试验中采用了两种不同的侧壁研究人类的模型的反馈和假人坐在板凳上靠近座位一侧的影响分区，结果表明，下胸腔与管道隔板碰撞时的最大胸廓挠度大于与板隔板碰撞时的最大胸廓挠度。
关键词：列车，碰撞，乘客，仿真
引言
近年来，人们对列车安全问题进行了多方面的研究。特别是在列车碰撞事故中减损的研究中，对于安全措施的研究主要有两种观点：初级碰撞措施和次级碰撞措施。初级碰撞是指列车之间的碰撞，次级碰撞是指旅客与列车舱室和/或其他旅客之间的碰撞。在初级碰撞方面，应从列车结构的角度进行研究；对次级碰撞，从生物力学的角度进行研究。该研究的重点是次级碰撞。在制定防止次级碰撞的措施时，必须对受伤乘客的情况进行个别检查。因此，事故调查的信息不足，有必要推断出乘客是如何卷入次级碰撞的。同时，对次级碰撞中乘客行为和对乘客冲击力的分析称为“人体行为分析”。在该研究中，作为人体行为分析，采用人体有限元模型进行仿真，并采用假人进行台车冲击试验，以评估侧隔板对座椅上乘客的安全性。
坐在长椅上的乘客的受伤特性
在日本的短途火车上，通常都安放了长椅。本论文主要研究了据报道，在某次事故（一辆短途列车与另一辆向前行驶的列车相撞）中，有25个坐着的乘客受伤。最常见的是胸部受伤(14名乘客:48%)。对乘客造成最频繁损害的列车装置是“扶手”，16个乘客(64%)因这个装置受伤。由于受伤的乘客都是坐着的，可以认为本报告中的“扶手”指的是长椅边缘的侧隔板。因此，坐在长椅上的乘客与侧隔板之间的碰撞可视为典型的次级碰撞的模式。据此，本研究通过计算机评估了侧隔板对乘客安全的影响模拟和雪橇冲击试验。
乘客人体行为分析
采用计算机模拟的方法对紧靠在侧隔板的长椅上的乘客进行人体行为分析。在有利于措施的制定的基础上进行了两次参数分析。在第一个模拟中，有两种分别设置在侧隔板上的类型、加速度和就座乘客的数量。在第个仿真的基础上，对第一次仿真的结果进行第二次模拟分析。第二次模拟中，以第一种仿真中的板式隔断为标准，使用四种材料，以便进一步收集有益安全措施方面的信息。在此基础上，去比较这四种模型的效率。
座椅和侧隔板的建模
由于板凳席在典型的损伤模式中，在第二次碰撞时，两边都有一个管道隔断，在
本模拟中，这种类型的侧隔板被设置在长椅旁边。图1.(a)和图1.(b)表示这些长椅模型。既然可以预料到人体的变形部位在哪里并且模型与侧隔板的接触对损伤有一定的影响，我们可以对侧隔板进行无限元建模。
另一方面，对座椅表面和靠背进行变形模拟时将二者统一认为是刚体，因为二者的变形对乘客在碰撞过程中的损伤不产生影响。表1给出了模拟的模型中一些主要材料的参数。
此外，在第二次仿真中，所述的板种均为隔板，冲击加速度为:a(见下一节)
)，以及一名乘客。在以下条件下进行了四种分析:1)侧隔板框架材料屈服强度为50%，2）杨氏模量为50%，3）聚氨酯表面粘贴0.1m厚的材料，4)侧隔板的内部填入了名为 theta-gel (由凝胶科技公司(Gel-tech Inc.)研发的产品)的缓冲材料。在分析1)和2)中，具体的材料没有纳入考虑范围内；但是，这些模拟结果在一定程度上可以预测出安全措施的发展方向。
图1 座椅模型的正视图和侧视图
表1 仿真模型的材料特性
加速度脉冲
基于对[2]型列车碰撞仿真的报道，研究了列车与乘客碰撞时产生的两种相对加速度，使动能相等。图2为加速度脉冲。为了防止由于列车结构的不同，这两种加速度水平可能会发生变化。在每个加速度条件下，雪橇底板表面的速度变化值可以是相同的(Delta V = 18 km / h)和第二级的峰值加速度可以是第一次加速度水平的50%。在本文后面，将一级加速度称为“加速度a”，将二级加速度称为“加速度b”。
图2 加速度脉冲
人体模型和乘客人数
在本仿真中，采用了THUMS-AM50乘员模型。2.101-020320 for PAM-CRASH(以丰田汽车公司(Toyota Motor Corporation)为例，采用人体有限元法进行有限元分析反映人的因素。am50主要用于汽车的计算机仿真，它采用了美国成年男性的平均体型(身高175厘米，体重77公斤)。
在第一次仿真中，我们设置了两种类型(一名乘客和两名乘客)来检验客人数对伤害的影响。在第二次仿真中，加入了各种条件以一名乘客的侧隔板为例，考察侧隔板差异对受伤的影响。
边界条件和摩擦
除了列车运动方向的偏转外，刚体材料的所有的自由度都受到限制。在第一次模拟中，所有的摩擦系数都设为0.3。 在第二次仿真中，虽然摩擦力对乘客行为的影响不大，但对乘客的行为影响较大，实际摩擦系数，乘客与座椅表面之间的摩擦系数以及靠背设置为0.4，其他摩擦系数为0.1。
第一次仿真结果
在第一次仿真中，在侧隔板类型、加速度和客运量上设置了两种模型分别。图3显示了以板分区、加速度a和1为条件的分析乘客。由于肋骨骨折主要发生在胸部损伤模式中，因此通过对肋骨骨折的频率进行估计最大胸部挠度。胸部的挠度被定义为脊柱到肋骨处的相对挠度，在对人体侧面产生冲击的情况下，肋骨到脊柱定义为相对挠度[3]。在此分析中，第2肋到第11肋的最大水平位移计算，其中最大值定义为最大胸部挠度。图4表示各肋挠度的时间历程。图5为最大胸部挠度坐在侧隔板旁边的乘客。尽管在加速和乘客人数上存在差异，但飞机的胸部发生了偏转分区比管道分区小。其实，胸部的隔板偏了-0.028m到-039m范围内，而管道隔板的箱形挠度在-0.096m到-0.126米之间。因此可以认为，在板式隔断的情况下发生的伤害比在管式隔断的伤害更小。在管式隔断情况下两名乘客的胸部偏斜比一名乘客的胸部偏斜大约-0.030m，伤害在板式隔断情况下-0.010m(约30%)。因此，可以认为两名乘客的情况比一名乘客更容易产生伤亡。另一方面，“加速度a”和“加速度b”之间没有显著差异。
这些结果表明，侧隔板类型的不同对胸腔受伤的影响最大。
图4 胸腔挠度随时间的变化
图5 有侧隔板时胸腔的最大挠度（乘客数量和加速度脉冲）
第二次仿真结果
从第一次仿真的结果可以推测，板式隔板可以减少对胸部损伤。因此，在第二次仿真中，第一次仿真的种类(板分区、加速度a、以1名乘客为标准条件，进行了4项分析条件如下:1)侧隔板框架材料屈服强度为50%，2)杨氏屈服强度模量为50%，3)表面粘接0.1m厚的聚氨酯材料，4)垫料ta-gel填充在侧隔板内侧。图6显示了分析3)，图7为第二次模拟中胸部最大挠度。最大胸部挠度为标准条件下的-0.060m， -0.058m in 1)， -0.060m in 2)， -0.057m in 3)， -0.061m in 4)。这些结果表明，第二次模拟的条件没有显著差异。因此，已经确定，这种改变不能有效地缓解在第二次碰撞中胸部的受伤。
图6 座椅上乘客行为仿真(板型，聚氨酯）
图7 侧隔板状况和胸腔最大挠度
台车冲击试验验证
为了验证本研究的计算机仿真结果，利用加速度a冲击试验假人。
方法措施
本实验利用HYGE台车冲击试验系统，以预定的加速度推动雪橇。图8显示了雪橇的设置示例，表2显示了测试条件。和计算机模拟一样，将座椅和侧隔板固定在雪橇上，并放置一两个假人(EuroSid-1)为横向碰撞，均坐在雪橇上。至于侧隔板，都是管隔板使用与计算机模拟类似的板分区(图9)。
如图9所示，管式隔断中有一根水平的中间管道，位于台车地板上方0.76m处。这个高度的管道意味着假人的手臂处于悬挂状态，它的上臂是与管接触的；但是当假人的手臂抬起时，管子直接与管子接触。在这个实验中，假人的上臂抬起。EuroSid-1，现在被广泛用作汽车横向碰撞，假人偶没有下臂。台车的冲击加速度预先被设置好，这样它就可以在计算机模拟中再现“加速度a”，速度变化可达18 km/h。
图8 台车安装示例
表2 测试情况
图9 侧隔板类型 (FE-model)
雪橇冲击试验结果:侧隔板型式
图10显示了撞击期间的虚拟行为。在使用管式隔断(测试1)的测试中，整个虚拟体向侧面分区移动，它的上半身向侧隔板下降，左上臂被中间的管道压碎。
另一方面，在使用板式隔断的测试中(测试3)，虚拟人的整个上半身是被侧隔板压碎，在接近150毫秒时被推回到相反的方向。
图10 撞击过程中假人的动作
图11为试验1和试验3中的假人胸腔挠度。在两项测试中，都是在50毫秒左右，胸部
偏转开始上升。在测试1中，由于中间管道通过上部与下部肋骨接触臂，所以下肋的挠度最大。中肋和上肋挠度较小。相反，在试验3中，上肋的挠度最大，且在较低的肋骨，如中心肋骨和较低的肋骨挠度变得更小。此外，板式隔板的最大挠度和最大挠度持续时间均小于管式隔板。
图12为试验1和试验3假人的损伤情况。在这个图中，虚拟人的各个部分的受伤程度基于汽车横向碰撞试验。
图11 假人的胸腔挠度
图12 假人的损伤
管式隔板的下肋挠度比板式隔板大，但也有其他管式隔板和板式隔板的损伤情况相似。因此，可以这样说，在管式隔板的情况下，乘客更有可能因水平管(扶手)发生胸部损伤。这一结果与案例研究[1]的损伤模式一致节中提到的。此外，由于下肋的损伤程度在板式隔板的情况下更小，我们可以推测，板式隔板是有效减少第二次碰撞中胸部损伤的有效方法。
台车冲击试验结果：假人数量
图13 损伤程度的比较
图13显示了一名乘客和两名乘客受伤程度的比较。在管道隔断的情况下(测试1和测试2)，损伤程度的假人就坐在旁边侧隔板(左)非常相似。当两个假人安放好后，坐在靠近长椅中心的位置(中心)假人的受伤程度比坐在侧隔板旁边的假人要小，尤指胸部。
另一方面，在板式隔断情况下，左假人的损伤程度几乎相同和中间的假人一样。
然而，在有两个假人的情况下，假人胸部屈曲的持续时间在两个假人之间存在差异。图14为测试4中左侧假人的假人胸部挠度。肋骨弯曲的时间大约是原来的1.5倍，比测试2中的要多(图11)。从挠度可以看出，变形程度在80毫秒附近时减小一次，但在100毫秒附近时再次增加，可以认为，这是因为中间的假人倒向侧隔板和左边的假人，这是一旦被侧隔板推回来，又被推到了侧隔板上。管式隔断(测试2)的情况下也观察到类似的现象。
图14 假人胸腔挠度(EuroSid-1)
与计算机仿真结果的比较
与台车冲击试验结果相比，FE模型的胸部挠度在肋骨的位置出现了两个峰值。此外，在管式隔断的情况下，胸部的挠度比这更大。部分原因在于台车冲击试验中使用的假人(EuroSid-1)，胸部肋骨结构和上臂只能简单地模拟到真实的人体。在研究汽车横向碰撞时，与车门的碰撞是检验的重点；因此，用列车中间的管道来检测撞击似乎是困难的。然而,在在管式隔断的情况下，下胸部挠度较大的趋势与之相同雪橇的冲击试验。最后，在板式隔断的情况下，挠度在上肋部集中，并且最大肋骨挠度与台车撞击结果一致测试。
结论
从以往列车碰撞事故的案例研究中，已经知道了列车碰撞事故的伤害类型乘客依赖于火车上的定位，尤其是座位。从数据的分析中得出事故发生时，我们已经检测到一种情况，即坐在长椅边缘侧隔板的乘客很可能会出现这种情况胸部有因撞击而受伤。因此，在本研究中我们使用了计算机人体有限元模型对该模式进行了仿真。在第一次仿真中，分别进行了两种隔断类型类型(管式隔断和板式隔断)、加速度(图2)和一个及两个乘客的仿真。在第二个模拟中，计算机模拟是根据隔板的不同进行划分，在这种情况下，屈服强度框架材料为50%，杨氏模量为50%，聚氨酯材料附着在表面上，缓冲材料被填在了板壁里。最后，进行了台车冲击试验，对隔板进行了计算机仿真，验证了仿真结果。结果如下。
计算机模拟
(1)板隔板的胸腔挠度小于管隔板的箱形挠度。这意味着在板隔断的情况下，受伤的可能性较小。
(2)随着入座人数的增加（从一人到两人），乘客的胸部挠度增加30%左右。
(3)在Delta V为
资料编号：[4690]
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