基于地鐵乘員站立姿態(tài)頭部碰撞損傷仿真分析研究

賴森華，許拓，許平，田洪雷，于洋洋

基于地鐵乘員站立姿態(tài)頭部碰撞損傷仿真分析研究

賴森華1，許拓2, 3，許平2, 3，田洪雷1，于洋洋1

(1．中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2．軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410075；3．軌道交通安全關(guān)鍵技術(shù)國際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410075)

地鐵是城市公共交通重要部分，碰撞事故一旦發(fā)生，將會造成巨大傷亡。本文建立車廂?乘員?扶手耦合三維多剛體動力學(xué)模型與頭?地板耦合三維有限元模型，基于生物力學(xué)指標(biāo)，研究3種基本工況下不同站姿地鐵乘員頭部損傷，旨在探究乘員姿態(tài)對頭部損傷影響規(guī)律。結(jié)果表明：1) 頭部損傷生物力學(xué)指標(biāo)最大值均基本集中在腦干處與顱腦頂端，可以判斷發(fā)生腦損傷；2) 地鐵站立乘員抬頭角度、面向方向?qū)︻^部損傷影響較大，腳部豎跨角度對頭部損傷結(jié)果有一定影響，而腳步橫跨角度對頭部損傷結(jié)果影響不大；3) 地鐵站立乘員保持頭部彎曲角度45°、面向地鐵行駛方向、腳步豎跨角度0°姿態(tài)，將在地鐵碰撞事故中面臨更嚴(yán)重腦損傷風(fēng)險(xiǎn)。

二次碰撞；乘員姿態(tài)；頭部損傷；數(shù)值仿真

地鐵在世界各地迅速發(fā)展，尤其在重要樞紐城市，已成為人們出行必備交通工具之一。由于其運(yùn)輸量大、節(jié)約用地、速度快、環(huán)保、無擁堵等特點(diǎn)，地鐵發(fā)展勢不可擋。但其特殊性，使得地鐵被動安全設(shè)施不完備，一旦發(fā)生碰撞事故，將造成巨大人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失。目前，列車發(fā)生碰撞時如何保護(hù)乘員生命安全，是各國近十幾年研究重點(diǎn)。在列車碰撞事故發(fā)生時，造成乘員傷亡原因主要有二：一是車輛結(jié)構(gòu)完整性破壞，乘員生存空間被擠壓；二是乘員與車輛內(nèi)飾二次碰撞。研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)對乘員傷害是由二次碰撞造成，其中頭部是最容易造成嚴(yán)重后果部位[1?7]。就我國地鐵實(shí)際情況而言，乘員姿態(tài)有多種類型，且多為站立，活動自由度大，加之人體頭部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使損傷方式更加多樣，實(shí)際碰撞過程中，頭部損傷與頭部碰撞時撞擊點(diǎn)、角速度、線速度等因素密切相關(guān)，因此地鐵站立乘員頭部損傷機(jī)理研究亟待開展。本文就地鐵車輛碰撞事故過程中站立乘員頭部碰撞損傷機(jī)理展開深入研究，考慮地鐵站立乘員自身不同姿態(tài)，分析二次碰撞中地鐵站立乘員頭部損傷情況，為地鐵乘員頭部保護(hù)提供建議。

1 地鐵站立乘員頭部碰撞損傷場景重建

1.1 車廂?乘員?扶手耦合三維多剛體動力學(xué)模型

本文考慮3種不同站立乘員姿態(tài)，即水平扶手、吊環(huán)扶手和垂直扶手，建立車廂?乘員?扶手耦合三維多剛體動力學(xué)模型。多剛體動力學(xué)模型基于MADYMO(MADYMO7.5，荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究組織)平臺建立，MADYMO平臺已廣泛應(yīng)用于車輛碰撞安全方面研究。

關(guān)于多剛體動力學(xué)模型仿真邊界條件設(shè)置，二次碰撞沖擊加速度采用英國ATOC AV/ST9001[8]，根據(jù)EN15227標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定地鐵列車碰撞工況速度25 km/h，選取沖擊加速度下限為多剛體模型邊界條件。按國內(nèi)某型地鐵車輛內(nèi)飾布置，簡化部分設(shè)施，在MADYMO數(shù)值仿真模擬環(huán)境中，建立地板、水平扶手、吊環(huán)扶手和垂直扶手以及車廂模型，隨后導(dǎo)入人體假人模型，調(diào)整假人模型初始站立姿態(tài)，定義相關(guān)接觸。其中假人模型來自人體模型(HBM)數(shù)據(jù)庫，選取常見五十分位男性行人模型(1.75 m，78 kg)代表地鐵站立乘員，該模型已被廣泛應(yīng)用于事故分析和事故重建等方面。通常鞋子與地面的摩擦因數(shù)，介于0.49至0.85之間，考慮研究地鐵所在地氣候條件，鞋與地板靜摩擦因數(shù)取其下限，設(shè)置為0.49。20～59歲男性平均握力為450 N，因此本文手部采用失效模型設(shè)定失效閾值為450 N。水平扶手和吊環(huán)扶手高度分別為1 850 mm和2 000 mm，垂直扶手手握高度為1 450 mm。

基于此，完成車廂?乘員?扶手耦合三維多剛體動力學(xué)模型建立，確定地鐵站立乘員3種基本工況分別為：水平扶手(工況1)、吊環(huán)扶手(工況2)、垂直扶手(工況3)。

1.2 頭?地板耦合三維有限元模型

湖南大學(xué)學(xué)者建立有限元頭部模型，該模型通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，具有較高逼真度，能真實(shí)準(zhǔn)確反映碰撞事故中人體頭部損傷情況，本文采用該頭部有限元模型進(jìn)行分析[9?10]。并通過HYPERHESH完成頭?地板耦合三維有限元模型建立，采用LS- DYNA求解器進(jìn)行求解。

1.3 基于多剛體動力學(xué)模型邊界條件提取

本文采用多剛體與有限元2種數(shù)值模擬仿真計(jì)算方法，展開地鐵站立乘員頭部損傷研究。通過多剛體計(jì)算地鐵站立乘員頭?地接觸邊界條件，隨后采用頭?地板耦合有限元模型分析站立乘員頭部損傷情況。應(yīng)用三點(diǎn)定位法進(jìn)行頭部定位[11]，在多剛體動力學(xué)模型中，提取多剛體假人頭部三點(diǎn)，輸出位置曲線，得到三點(diǎn)坐標(biāo)，用三點(diǎn)坐標(biāo)定位頭部有限元模型初始時刻位置，隨后輸入頭線速度與角速度作為輸入條件。

1.4 基于生物力學(xué)指標(biāo)乘員頭部碰撞損傷評估 流程

以3種基本工況為例，基于生物力學(xué)指標(biāo)地鐵站立乘員頭部碰撞損傷評估流程，見圖1。建立多剛體動力學(xué)模型，在指定工況下進(jìn)行計(jì)算。隨后提取邊界條件，并建立頭?地板耦合三維有限元模型，輸入頭部線速度與角速度作為輸入條件，采用LS-DYNA求解器進(jìn)行有限元求解。最后，得到相應(yīng)應(yīng)力云圖，處理數(shù)據(jù)，完成各工況下頭部損傷 分析。

圖1 頭部損傷分析流程圖

2 損傷生物力學(xué)指標(biāo)

目前關(guān)于人體損傷判斷標(biāo)準(zhǔn)較多，頭部損傷指標(biāo)(HIC)常被用來評價碰撞事故中頭部損傷嚴(yán)重程度，該指標(biāo)最初先被聯(lián)邦機(jī)動車輛安全標(biāo)準(zhǔn)所采用，計(jì)算公式如下：

式中：()為碰撞過程頭部質(zhì)心合成加速度；2?1為頭部損傷指標(biāo)(HIC)為最大值時的時間間隔。

隨著碰撞被動安全深入研究，研究人員注意到頭部損傷標(biāo)準(zhǔn)HIC等動力學(xué)指標(biāo)具有一定局限性。相關(guān)研究表明，腦神經(jīng)損傷無法用單一頭部加速度評估，而采用顱內(nèi)生物力學(xué)相關(guān)指標(biāo)更為合適，如顱內(nèi)壓力、Von-Mises應(yīng)力等生物力學(xué)指標(biāo)能更為真實(shí)反應(yīng)頭部損傷情況[12?13]。本文將結(jié)合多剛體動力學(xué)模型與有限元模型，基于生物力學(xué)評價指標(biāo)，完成地鐵站立乘員頭部損傷評估。

3 基本工況頭部損傷分析

分析基本工況一水平扶手站立乘員頭部碰撞損傷情況，在頭?地碰撞過程中，大腦承受持續(xù)壓力和應(yīng)力，主要集中在腦干和顱骨頂端。為了確保研究準(zhǔn)確性，所有生物力學(xué)指標(biāo)結(jié)果均采用相同方法獲取，以顱內(nèi)壓力為例，說明頭部損傷生物力學(xué)指標(biāo)結(jié)果獲取方法。該方法分3個步驟：1) 觀察應(yīng)力云圖找到最大正壓、負(fù)壓區(qū)域；2) 在該區(qū)域分別取9個點(diǎn)(如圖2(a))；3) 繪制所選點(diǎn)應(yīng)力?時間曲線(如圖2(b))，從應(yīng)力?時間曲線中取最大值。同樣方法用于獲取腦組織Von-Mises應(yīng)力和腦組織剪切應(yīng)力。

(a) 顱內(nèi)壓力分布；(b) 壓力時間曲線

腦干處最大顱內(nèi)正壓為228.68 kPa，大腦頂端最大顱內(nèi)負(fù)壓為76.52 kPa，最大腦組織Von-Mises應(yīng)力和腦組織剪切應(yīng)力分別為0.76 kPa和0.44 kPa，均集中在腦干處，判斷腦干處發(fā)生腦損傷。采用同樣方法，分析另2種基本工況頭部損傷結(jié)果。3種基本工況乘員頭部碰撞部位和碰撞時間不完全相同，但腦組織Von-Mises應(yīng)力與腦組織剪切應(yīng)力均集中在腦干上端、腦干、小腦或大腦接觸部位，這與多起事故重建得出結(jié)論相符[14]。

4 基于地鐵乘員站姿頭部碰撞損傷研究

地鐵站立乘員分布具有隨機(jī)性，已有研究人員基于人體姿態(tài)影響做了相關(guān)研究。為了進(jìn)一步獲得乘員站姿對頭部損傷影響規(guī)律，本文考慮地鐵站立乘員人體可控因素，采用與3種基本工況相同分析方法，得到頭部損傷生物力學(xué)指標(biāo)，展開單因子分析，參數(shù)范圍見表1。

表1 參數(shù)范圍

4.1 不同抬頭角對頭部損傷影響

隨著智能手機(jī)普及，“低頭族”隨處可見，相關(guān)研究表明，“低頭族”頸椎大約在15°~60°屈曲位置，正常情況人體保持頸部彎曲15°。本節(jié)將考慮抬頭角度對頭部碰撞損傷影響，見圖3(a)，以及不同手部握手機(jī)情況，對頭部碰撞損傷影響，見圖4(a)。

(a) 不同抬頭角度；(b) 工況1水平扶手；(c) 工況2吊環(huán)扶手；(d) 工況3垂直扶手

(a) 不同手臂抬起；(b) 工況1水平扶手；(c) 工況2吊環(huán)扶手；(d) 工況3垂直扶手

工況1水平扶手頭部碰撞損傷結(jié)果，見圖3(b)，顱內(nèi)正壓與顱內(nèi)負(fù)壓隨抬頭角度增加呈線性增長，抬頭角度15°時，顱內(nèi)正壓與顱內(nèi)負(fù)壓分別為228.68 kPa和76.52 kPa，抬頭角度45°時達(dá)到最大值，369.83 kPa和105.64 kPa，腦組織Von-Mises應(yīng)力與腦組織剪切應(yīng)力基本呈現(xiàn)相同趨勢。工況2和工況3生物力學(xué)指標(biāo)趨勢與工況1基本相同，均在抬頭角度45°時達(dá)到最大值。根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，地鐵站立乘員抬頭角度對頭部損傷結(jié)果影響較大，如果地鐵站立乘員保持頸部彎曲45°，在地鐵碰撞事故中將面臨更嚴(yán)重腦損傷風(fēng)險(xiǎn)。

由于損傷生物力學(xué)指標(biāo)在不同抬頭角度情況，變化趨勢基本一致，因此僅考慮左右臂抬起對變化較大的顱內(nèi)正壓影響。見圖4(b)～4(d)，3種工況整體趨勢而言，左/右臂抬起這一現(xiàn)象并未對頭部損傷結(jié)果產(chǎn)生較大影響。工況2吊環(huán)扶手，抬頭角30°時，左臂抬起下頭部損傷結(jié)果稍高于右臂抬起，分別為223.533 kPa和270.64 kPa。工況3垂直扶手，在抬頭角20°與45°時，左/右臂抬起頭部損傷結(jié)果有一定的差別，但整體變化趨勢均保持一致。

4.2 不同面向方向?qū)︻^部損傷影響

車輛運(yùn)行過程中，地鐵乘員站立方向隨機(jī)，研究表明乘員站立方向?qū)Τ藛T頭部動力學(xué)影響較 大[15]。本文考慮地鐵乘員面向方向?qū)?種工況下乘員頭部損傷影響，見圖5(a)。

(a) 不同面向方向；(b) 工況1水平扶手；(c) 工況2吊環(huán)扶手；(d) 工況3垂直扶手

工況1水平扶手乘員頭部碰撞損傷結(jié)果，最大值發(fā)生在面向方向0時，即面向行駛方向，顱內(nèi)正壓228.68 kPa，顱內(nèi)負(fù)壓76.52 kPa，腦組織Von- Mises應(yīng)力0.76 kPa，腦組織剪切應(yīng)力0.44 kPa。工況2和工況3同樣在面向方向?yàn)?時，損傷最為嚴(yán)重，且生物力學(xué)指標(biāo)遠(yuǎn)大于其他情況，頭部損傷最為嚴(yán)重。3種基本工況表明：地鐵站立乘員面向地鐵行駛方向最危險(xiǎn)。

4.3 不同腳部橫跨角對頭部損傷影響

地鐵站立乘員腳部橫跨角度是隨機(jī)的，考慮腳部橫跨角度對乘員頭部影響，見圖6(a)。

工況1水平扶手下地鐵站立乘員頭部碰撞損傷結(jié)果，見圖6(b)，顱內(nèi)正壓與顱內(nèi)負(fù)壓均在橫跨角度6°時達(dá)到最大值，234.71 kPa和61.42 kPa；在橫跨角度10°時達(dá)到最小值，219.97 kPa和55.67 kPa，腦組織Von-Mises應(yīng)力與腦組織剪切應(yīng)力呈現(xiàn)相同趨勢，但生物力學(xué)指標(biāo)整體差距。工況2和工況3整體趨勢與工況1有所不同，工況2顱內(nèi)正壓與顱內(nèi)負(fù)壓均在橫跨角度6°時達(dá)到最大值，工況3顱內(nèi)正壓與顱內(nèi)負(fù)壓隨橫跨角度增加而減小，在0°時達(dá)到最大值，但同樣生物力學(xué)指標(biāo)整體變化不大。

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，橫跨角度對3種地鐵站立乘員頭部損傷結(jié)果影響較小，最大值與最小值之間無太大差別。

4.4 不同腳部豎跨角對頭部損傷影響

考慮腳部豎跨角度對3種工況下站立乘員頭部損傷影響，分別為0°豎跨角、5°豎跨角度、10°豎跨角度、15°豎跨角度，見圖7(a)。

(a) 不同腳部橫跨角度；(b) 工況1水平扶手；(c) 工況2吊環(huán)扶手；(d) 工況3垂直扶手

(a) 不同腳部豎跨角度；(b) 工況1水平扶手；(c) 工況2吊環(huán)扶手；(d) 工況3垂直扶手

工況1水平扶手下地鐵站立乘員頭部碰撞損傷結(jié)果，見圖7(b)，顱內(nèi)正壓與顱內(nèi)負(fù)壓隨豎跨角度增加而減小，豎跨角度0°時，分別為233.96 kPa和74.85 kPa，豎跨角度15°時達(dá)到最小值，減小到188.05 kPa和45.62 kPa，腦組織Von-Mises應(yīng)力和腦組織剪切應(yīng)力趨勢與顱內(nèi)正壓和顱內(nèi)負(fù)壓趨勢不同，在豎跨角度10°時達(dá)到最大值，在橫跨角度5°達(dá)到最小值。工況2和工況3也幾乎均在豎跨角度0°時，生物力學(xué)指標(biāo)達(dá)到最大值。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，地鐵站立乘員腳步豎跨角度對頭部損傷結(jié)果有一定影響，基本在腳步豎跨角度0°時，頭部損傷結(jié)果最為嚴(yán)重。

5 結(jié)論

1) 分析3種地鐵站立乘員頭部損傷結(jié)果，頭部損傷生物力學(xué)指標(biāo)顱內(nèi)壓力、腦組織Von-Mises應(yīng)力、腦組織剪切應(yīng)力最大值基本集中在腦干處與顱腦頂端，可以判斷發(fā)生腦損傷。腦干控制人體呼吸、脈搏等功能，因此地鐵碰撞事故中，地鐵站立乘員頭部損傷嚴(yán)重，主要為腦干處腦損傷。

2) 展開地鐵站立乘員姿態(tài)(抬頭角度、面向方向、腳步橫跨角度以及腳部豎跨角度)對頭部損傷影響規(guī)律分析，結(jié)果表明地鐵站立乘員抬頭角度、面向方向?qū)︻^部損傷結(jié)果影響較大，腳部豎跨角度對頭部損傷結(jié)果有一定影響，而腳步橫跨角度對頭部損傷結(jié)果影響不大。

3) 計(jì)算結(jié)果表明地鐵站立乘員保持頭部彎曲角度45°，面向地鐵行駛方向，腳步豎跨角度0°姿態(tài)，將在地鐵碰撞事故中面臨更嚴(yán)重腦損傷風(fēng)險(xiǎn)。

[1] PENG Y, WANG X H, PENG S L, et al. Investigation on the injuries of drivers and copilots in rear-end crashes between trucks based on real world accident data in China[J]. Future Generation Computer Systems, 2018, 86: 1251?1258.

[2] YIN S, LI J N, XU J. Exploring the mechanisms of vehicle front-end shape on pedestrian head injuries caused by ground impact[J]. Accident Analysis & Prevention, 2017, 106: 285?296.

[3] XU J, SHANG S, YU G Z, et al. Are electric self-balancing scooters safe in vehicle crash accidents[J]. Accident Analysis & Prevention, 2016, 87: 102?116.

[4] 衛(wèi)亮, 張樂樂, 崔進(jìn), 等. 地鐵碰撞事故中站姿假人的響應(yīng)仿真與損傷預(yù)測[J]. 鐵道學(xué)報(bào), 2015, 37(1): 16?23. WEI Liang, ZHANG Lele, CUI Jin, et al. Response simulation and injury prediction of standing dummy in a subway collision[J]. Journal of the China Railway Society, 2015, 37(1): 16?23.

[5] 王存義, 張樂樂, 衛(wèi)亮, 等. 基于坐姿假人的地鐵乘員二次碰撞損傷影響分析[J]. 鐵道學(xué)報(bào), 2015, 37(3): 14? 22. WANG Cunyi, ZHANG Lele, WEI Liang, et al. Analysis secondary impact on passenger injuries in a subway vehicle based on sitting dummy[J]. Journal of the China Railway Society, 2015, 37(3):14?22.

[6] 周俊先, 陳秉智. 基于二次碰撞簡化模型的地鐵乘員損傷研究[J]. 大連交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2017, 38(2): 37?42. ZHOU Junxian, CHEN Bingzhi. Study of impact on passenger injuries in a subway vehicle based on simplified model of secondary collision[J]. Journal of Dalian Jiaotong University, 2017, 38(2): 37?42.

[7] Nakai Kazuma, Omino Koji, Shiroto Hiroaki, et al. Simulation of passenger behavior on board a commuter train in the event of a level crossing accident[J]. Quarterly Report of RTRI, 2012, 53(4): 235?240.

[8] AV/ST9001, Vehicle interior crashworthiness[S]. London: Derby Rail Safety and Standards Board, 2010.

[9] 許偉. 車輛碰撞事故中頭部生物力學(xué)響應(yīng)和損傷機(jī)理分析[D]. 長沙: 湖南大學(xué), 2008. XU Wei. A Study of head biomechanical response and injury mechanisms in vehicle traffic accidents[D]. Changsha: Hunan University, 2008.

[10] YANG J K, XU W, Otte D. Brain injury biomechanics in real world vehicle accident using mathematical models [J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2008, 21(4): 1

[11] HUANG J, PENG Y, YANG J K, et al. A study on correlation of pedestrian head injuries with physical parameters using in-depth traffic accident data and mathematical models[J]. Accident Analysis & Prevention, 2018(119): 91?103.

[12] Marjoux D, Baumgartner D, Deck C, et al. Head injury prediction capability of the HIC, HIP, SIMon and ULPcriteria[J]. Accident Analysis & Prevention, 2008, 40(3): 1135?1148.

[13] 李凡. 基于真實(shí)車輛-行人交通事故的顱腦損傷風(fēng)險(xiǎn)分析研究[D]. 長沙: 湖南大學(xué), 2009. LI Fan. A study of head-brain injury risk analysis in real world vehicle-pedestrian traffic accidents[D]. Changsha: Hunan University, 2009.

[14] 陳勇. 行人和自行車交通事故中頭部動力學(xué)響應(yīng)和損傷機(jī)理研究[D]. 長沙: 湖南大學(xué), 2010. CHEN Yong. A study on head dynamic responses and injury mechanisms in pedestrian and cyclist traffic accidents [D]. Changsha: Hunan University, 2010.

[15] PENG Y, XU T, HOU L, et al. An investigation of dynamic responses and head injuries of standing subway passengers during collisions[J]. Applied Bionics and Biomechanics, 2018, 2018: 1?13.

Numerical simulation research on head injuries of standing subway passengers based on standing posture

LAI Senhua1, XU Tuo2, 3, XU Ping2, 3, TIAN Honglei1, YU Yangyang1

(1. CRRC Qingdao Sifang Locomotive & Rolling Stock Co., Ltd., Qingdao 266111, China;2. Key Laboratory of Traffic Safety on Track, Central South University, Ministry of Education, Changsha 410075, China;3. Joint International Research Laboratory of Key Technology for Rail Traffic Safety, Changsha 410075, China)

In recent years, the number of interfaces between sub-systems and the complexity of interface technology have increased dramatically. It is extremely difficult to identify interface points in the early stages. The interface problems in the later construction stages lead to unnecessary cost overrun and schedule overrun. The early identification of interface has become one of the key issues for the successful acceptance of the whole project. Based on the interface task, the interface matrix is defined to map the interface points of the whole metro project. The DSM method was adopted to preliminarily identify interface points, and three interface importance indexes (interface function index, interface cost index and interface iteration index) are given. A grey relation model was established to evaluate the importance of the interface points with the three indexes. A case study was implemented to verify the effectiveness of the key interface points identification method. The research provides a theoretical basis for key interface points identification of metro projects and enriches the interface management theory system.

Secondary collision; Passenger posture; Head injuries; Numerical simulation

U270

A

1672 ? 7029(2020)10 ? 2680 ? 08

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20200346

2019?12?24

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016YFB1200505-016)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51675537)

許拓(1994?)，男，湖南岳陽人，博士，從事被動安全研究；E?mail：csu-train-xt@csu.edu.cn

(編輯 陽麗霞)