鐵路運(yùn)輸具有速度高、造價(jià)低、運(yùn)能大以及環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在我國交通運(yùn)輸中扮演了重要角色。主要干線鐵路經(jīng)過6次大提速后，已經(jīng)達(dá)到既有線上世紀(jì)最后運(yùn)營速度250km/h；近年來，不斷建成的高鐵客運(yùn)專線，更大拉開了我國高速列車發(fā)展的序幕，最高運(yùn)行速度已達(dá)380km/h。然而，隨著運(yùn)行速度的提高，列車所攜帶的動能也達(dá)到了前所未有的高度，而鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)的復(fù)雜性又決定列車碰撞事故是不可完全避免的。軌道車輛載客量大，一旦碰撞事故發(fā)生勢必會造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，而且隨著運(yùn)行速度的提高，碰撞后果將更是不堪設(shè)想。因此，軌道車輛設(shè)計(jì)時，在提高舒適性及可靠性的同時，需要考慮被動安全防護(hù)性能。一方面，車體在設(shè)計(jì)時需要體現(xiàn)耐撞性思想以保證乘客生存空間的完整性；另一方面，通過合理的車內(nèi)設(shè)計(jì)，在新車設(shè)計(jì)階段就對乘員安全性做出評估則顯得更加尤為重要，因?yàn)�，對于耐碰撞車輛而言，客室結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大變形而導(dǎo)致乘員傷亡的可能性較小，而乘員與客室內(nèi)部設(shè)施的二次碰撞則是導(dǎo)致乘員大量傷亡的主要原因。

    國外機(jī)車車輛工業(yè)發(fā)達(dá)的國家，自上世紀(jì)80年代開始，利用試驗(yàn)及數(shù)值仿真的方法相繼對軌道車輛內(nèi)部乘員與客室結(jié)構(gòu)的二次碰撞進(jìn)行了大量研究，且有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的頒布，例如英國的車輛內(nèi)飾結(jié)構(gòu)耐撞性標(biāo)準(zhǔn)《ATOCAV/ST9001》以及美國的旅客列車設(shè)備安全規(guī)范《49 Codeof Federal Regulations（CFR）》。國內(nèi)對軌道車輛被動安全的研究則大多集中在對結(jié)構(gòu)耐撞性驗(yàn)證及優(yōu)化等方面。近年來，隨著仿真技術(shù)的成熟，也有乘員二次碰撞研究相關(guān)文獻(xiàn)的出現(xiàn)，但大多以硬座車廂坐姿乘員為基體，從頭部、胸部傷害兩個方面對乘員二次碰撞進(jìn)行研究，乘員姿態(tài)較為單一，傷害評價(jià)指標(biāo)也不夠全面。其實(shí)，相對于硬座車廂，臥鋪車廂內(nèi)部設(shè)施結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，乘員也可具有不同姿態(tài)、不同位置，而且國內(nèi)對臥鋪車廂乘員二次碰撞及減少傷害相關(guān)措施的研究基本上為空白，因此，從這方面來說，對臥鋪車廂乘員的二次碰撞安全性研究更具有現(xiàn)實(shí)意義。

    本文正是基于國內(nèi)外乘員二次碰撞研究的現(xiàn)狀，借鑒汽車領(lǐng)域內(nèi)使用廣泛的安全評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，在臥鋪客車典型碰撞工況的基礎(chǔ)上，通過建立臥鋪車廂結(jié)構(gòu)詳細(xì)的局部有限元模型，采用ANSYS/LS-DYNA軟件對臥鋪車廂乘員進(jìn)行多工況、多指標(biāo)的碰撞安全性評價(jià)，重點(diǎn)討論比較了不同姿態(tài)、不同位置、不同性別乘員的受傷情況。

1 軌道車輛乘員二次碰撞安全性研究方法

    軌道車輛乘員二次碰撞技術(shù)基本思想是在有限元模型中引入仿生學(xué)的假人模型，計(jì)算在被評估工況下假人的傷害指標(biāo)，通過與人體能夠承受的對應(yīng)極限指標(biāo)相比較來評估乘員的傷害程度。目前，通過數(shù)值仿真研究乘員二次碰撞安全性主要有以下兩種方法：

    （1）建立車體結(jié)構(gòu)、客室內(nèi)部設(shè)施結(jié)構(gòu)的詳細(xì)有限元模型，將符合仿生學(xué)設(shè)計(jì)的假人模型引入到有限元模型中，在典型工況下一起進(jìn)行碰撞計(jì)算。這種方法將一次碰撞和二次碰撞同時進(jìn)行研究，直觀性好，易于數(shù)據(jù)管理。但是，這種方法也存在著致命的缺點(diǎn)：假人模型結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，對假人姿態(tài)的調(diào)整及標(biāo)定也非常繁瑣；軌道車輛乘員數(shù)量眾多，如果直接將假人模型加到車體結(jié)構(gòu)模型中，勢必會導(dǎo)致單元數(shù)量劇增、計(jì)算模型龐大，計(jì)算時間冗長，且不能重復(fù)利用，不適用車體結(jié)構(gòu)需要改動時的反復(fù)計(jì)算。

    （2）建立假人與車廂內(nèi)部設(shè)施的局部有限元模型，通過施加典型工況下一次碰撞響應(yīng)，來研究乘員二次碰撞。這種方法使得二次碰撞與一次碰撞相剝離，在已知一次碰撞響應(yīng)已知的情況下可被重復(fù)利用，且單元數(shù)目相對較少，仿真時間較短，是一種省時省力的研究方法。鑒于這兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，本文采用第二種方法來模擬乘員二次碰撞。建立臥鋪車廂的詳細(xì)有限元模型，引入不同姿態(tài)、不同位置、不同性別的假人模型，施加車輛在典型碰撞工況下的“減速度—時間”曲線，研究乘員二次碰撞響應(yīng)。

2 軌道車輛乘員二次碰撞損傷判據(jù)

    碰撞事故中乘員損傷程度評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)在汽車領(lǐng)域較為成熟，最具有代表性的有美國聯(lián)邦機(jī)動車安全法規(guī)FMVSS（Federal Motor Vehicle Safety Standard）和歐洲經(jīng)濟(jì)委員會制定的汽車正碰乘員保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)ECE。軌道車輛領(lǐng)域內(nèi)雖然也有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如英國標(biāo)準(zhǔn)《ATOC AV/ST9001》及美國公共交通委員會頒布的通勤列車座椅標(biāo)準(zhǔn)《Standard forRow-to-Row Seating in Commuter Rail Cars》，但這些標(biāo)準(zhǔn)對乘員安全性判據(jù)的規(guī)定也是通過借鑒汽車領(lǐng)域的研究成果得出的。因此，本文主要參照汽車領(lǐng)域權(quán)威的安全標(biāo)準(zhǔn)FMVSS 208對臥鋪客車乘員的二次碰撞安全性進(jìn)行研究，其對Hybrid III 5百分位、50百分位的假人模型模擬的乘員類型安全性提供以下判據(jù)。

（1）頭部損傷判據(jù)

    頭部損傷判據(jù)為36HIC/15HIC，36HIC主要是針對50百分位的成年男性假人模型，15HIC主要是針對5百分位的成年女性假人模型。在碰撞過程中從任意一個時間點(diǎn)t1到時間點(diǎn)t2（t1<t2）相隔不超過30/15毫秒的時間歷程內(nèi)，乘員的頭部損傷判據(jù)36HIC/15HIC應(yīng)通過假人頭部重心位置的合成加速度ra計(jì)算得到，該合成加速度表達(dá)為重力加速度g的倍數(shù)，碰撞過程中36HIC的值不得超過1000，15HIC的值不得超過700，其計(jì)算表達(dá)式為：

（2）胸部損傷判據(jù)

    胸部合成加速度持續(xù)時間大于3毫秒的部分不應(yīng)超過60g，這對5百分位的成年女性假人模型及50百分位的成年男性假人模型是一樣的；胸骨相對脊柱的壓縮變形對于50百分位的成年男性假人模型不應(yīng)超過76mm，而對于5百分位的成年女性假人模型則不應(yīng)該超過52mm。該加速度指標(biāo)在本文中記作“3ms acc”，壓縮變形記作“deflection”。

（3）下肢損傷判據(jù)

    該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定碰撞過程中，經(jīng)過大腿骨傳遞的軸向力對于50百分位的成年男性假人模型不得超過10008N，而對于5百分位的成年女性假人模型則不得超過6805N。本文中該指標(biāo)記作“leg force”。

（4）頸部損傷判據(jù)

    碰撞過程中，頸部上端承力位置即枕髁處的變形按照其剪切力xF，軸向力zF和彎矩oycM的作用可分為四種可能出現(xiàn)的組合情形：拉伸并向后延長彎曲、拉伸和向前彎曲、壓縮和向后延長彎曲以及壓縮和向前彎曲等。事故任意確定時刻只可能出現(xiàn)上述某一種情況，每一時刻頸部損傷判據(jù)ijN可通過下式計(jì)算得到：

3 臥鋪車廂乘員二次碰撞有限元模型的建立

    為了準(zhǔn)確模擬乘員的二次碰撞，需要詳細(xì)建立臥鋪車廂的有限元模型，查閱相關(guān)資料，得到我國現(xiàn)行軌道臥鋪客車車廂出尺寸數(shù)據(jù)，見表1。

表1 我國現(xiàn)行軌道臥鋪客車車廂尺寸總體參數(shù)

    臥鋪車廂結(jié)構(gòu)有限元模型如圖1所示，其中床鋪、枕頭用體單元進(jìn)行模擬，其余結(jié)構(gòu)全部用殼單元進(jìn)行模擬。通過選用ANSYS/LS-DYNA中57#材料并配有合適的應(yīng)力應(yīng)變曲線（見圖2），可以準(zhǔn)確得模擬床鋪、枕頭的剛度特性。在汽車碰撞仿真中，模擬乘員的假人模型一般為坐姿和站姿，但在研究臥鋪車廂乘員二次碰撞時，乘員可能處于坐姿，也可能處于躺姿。為此，本文通過將坐姿假人模型旋轉(zhuǎn)，且調(diào)節(jié)上肢、下肢關(guān)節(jié)使之變?yōu)閭?cè)躺假人模型；通過將站姿假人模型旋轉(zhuǎn)，且調(diào)節(jié)頸部、下肢關(guān)節(jié)使之變?yōu)槠教杉偃四Ｐ汀＜偃四Ｐ投�義示意圖如圖3所示，圖中1號假人用于模擬在下鋪上處于坐姿的乘員女性乘員；2號假人為50百分位的男性假人模型，主要用于模擬在下鋪上坐姿乘員與餐桌的二次碰撞；3號假人用于模擬在下鋪上側(cè)躺的男性乘員；4號假人用于模擬在中鋪上側(cè)躺的女性乘員；5號假人用于模擬在上鋪平躺的男性乘員。

圖1 臥鋪車廂有限元模型

圖2 ANSYS/LS-DYNA57#材料電信應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖3 假人模型定位示意圖

4 典型工況乘員二次碰撞安全性評估

4.1 計(jì)算模型及工況說明

    在ANSYS/LS-DYNA中，對某200km/h臥鋪客車進(jìn)行有限元建模，車體大部分結(jié)構(gòu)采用殼單元進(jìn)行模擬，減震器、抗側(cè)滾扭桿座采用體單元進(jìn)行模擬，點(diǎn)焊及螺栓通過梁單元進(jìn)行模擬，車鉤緩沖器、空氣彈簧采用離散梁單元來模擬，設(shè)備質(zhì)量用質(zhì)量單元來模擬且通過RBE2、RBE3連接到其質(zhì)心位置上，剩余其他質(zhì)量則均布在底架地板上。

圖4 200km/h臥鋪客車-位端撞擊29T固定剛性墻

圖5 200km/h臥鋪客車-位端撞擊15T可變形障礙物

圖6 EN15227附錄D4 200km/h臥鋪客車-位端耐撞性驗(yàn)證模型

4.2 結(jié)果分析

    計(jì)算結(jié)果表明，6個碰撞工況下，200km/h臥鋪客車僅車端弱剛度區(qū)域產(chǎn)生塑性變形，客室保持剛體運(yùn)動，結(jié)構(gòu)完整，客車車體縱向剛度分布較為合理，乘員生存空間可以得到保證；在碰撞工況5、6下，各車輛沒有發(fā)生脫軌、橫向折曲、爬車等現(xiàn)象。計(jì)算得到各工況下200km/h臥鋪客車客室縱向沖擊加速度—時間歷程曲線如圖7~12所示。

圖7 工況1客室縱向沖擊加速-時間歷程曲線

圖8 工況2客室縱向沖擊加速-時間歷程曲線

圖9 工況3客室縱向沖擊加速-時間歷程曲線

圖10 工況4客室縱向沖擊加速-時間歷程曲線

圖11 工況5客室縱向沖擊加速-時間歷程曲線

圖12 工況6客室縱向沖擊加速-時間歷程曲線

    由圖可知，工況1、2，工況3、4，工況5、6雖然邊界條件完全一樣，但由于客車車體一、二位端不完全對稱，碰撞歷程時間及加速度—時間變化曲線有所差別。得到的“加速度-時間”歷程曲線可以直接用于乘員二次碰撞安全性研究的輸入曲線。

4.3 乘員安全性評估

    工況1下乘員在臥鋪車廂中的二次碰撞及運(yùn)動情況如圖13所示。該工況下，1號假人飛離其原始位置且膝蓋與對面下鋪床棱相撞，然后整個身體繞膝蓋旋轉(zhuǎn)，頭部可能最后與床鋪或隔墻發(fā)生碰撞；2號假人向后傾，頭部、背部與隔墻發(fā)生撞擊后又彈開，雙腳與對面下鋪發(fā)生碰撞；3號假人背對列車行駛方向，背部緊貼著隔墻；4號假人同樣飛離其床鋪，左腿與護(hù)欄相撞，身體翻轉(zhuǎn)可能從床鋪上墜下；5號假人首先與隔墻相撞，然后身體翻轉(zhuǎn)面向隔墻。工況1下各位置假人傷害指標(biāo)如表2所示，由表可知，該工況下1號、2號假人各有3個指標(biāo)嚴(yán)重超標(biāo)，1號假人因膝蓋與床鋪棱角相撞，左、右腿軸向力嚴(yán)重超標(biāo)，胸部合成加速度也大于規(guī)定的60g，2號假人頭部與隔墻相撞，頭部損傷標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于規(guī)定的1000，左、右腿軸向力也有所超標(biāo)；相比于1、2號假人，3、4、5號假人各損傷指標(biāo)相對較小，均在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)，但因4號假人可能從床鋪上墜下，最后其受到的損傷可能會更大。

圖13 工況1乘員二次碰撞及在車廂內(nèi)運(yùn)動情況

    工況2下乘員二次碰撞及在車廂內(nèi)的運(yùn)動情況如圖14所示，工況2與工況1客車行駛方向正好相反。該工況下，1號假人向后傾，頭部、背部與隔墻相撞，雙腿向上抬升；2號假人飛離其位置，胸部與餐桌相撞擠壓，小腿與對面下鋪棱邊相撞后彈開，上身繞胸部旋轉(zhuǎn)；3號假人同樣飛離其位置，首先頭部與餐桌相撞，然后身體失去平衡，橫跨在兩下鋪之間；4號假人背對客車行駛方向，背部緊貼著隔墻；5號假人首先與護(hù)欄相撞，然后身體翻轉(zhuǎn)，有從上鋪墜下的危險(xiǎn)。由表2可知，工況2下各假人傷害指標(biāo)都有超標(biāo)，相對來說，4號假人相對較好，只有胸部合成加速度稍微超標(biāo)；2號假人損傷最為嚴(yán)重，有4個指標(biāo)嚴(yán)重超標(biāo)，胸部、雙腿受到嚴(yán)重傷害。此外，1號假人頭部傷害指標(biāo)嚴(yán)重超標(biāo)，5號假人左腿指標(biāo)有所超標(biāo)，其他傷害指標(biāo)相對較好，但因其可能從上鋪墜下，最終受到的傷害可能會更大。

圖14 工況2乘員二次碰撞及在車廂內(nèi)運(yùn)動情況

表2 工況1、工況2各位置假人傷害指標(biāo)

    圖15、圖16分別給出了工況3、工況4下乘員二次碰撞及在車廂內(nèi)的運(yùn)動情況，工況3、4客車行駛方向正好相反。由圖不難看出，工況3、4下乘員在車廂內(nèi)運(yùn)動軌跡基本上和工況1、2一致，只有由于仿真時間不同，各位置假人最后姿態(tài)不一樣。表3分別給出了這兩個工況下各位置假人的傷害指標(biāo)，工況3下1、2號假人受到傷害較為嚴(yán)重，與工況1極為類似，但相比于工況1，1號假人頭部損傷嚴(yán)重超標(biāo)，2號假人胸部合成加速度嚴(yán)重超標(biāo)，而雙腿軸向力由于仿真時間變短而下降到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)；此外，工況3中5號假人雙腿軸向力有所超標(biāo)。工況4各假人傷害指標(biāo)與工況2類似，但總體來說假人傷害指標(biāo)相比于工況2來說有所下降，而且5號假人各傷害指標(biāo)均在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍之內(nèi)。綜合工況1、2、3、4可知，在臥鋪車廂內(nèi)，坐姿乘員相比于躺姿乘員受到的傷害更為嚴(yán)重，背對車輛行駛方向側(cè)躺乘員相對處于較為安全的位置。

表3 工況3、工況4各位置假人傷害指標(biāo)

圖15 工況3乘員二次碰撞及在車廂內(nèi)運(yùn)動情況

圖16 工況4乘員二次碰撞及在車廂內(nèi)運(yùn)動情況

    工況5 乘員580ms、1000ms在車廂內(nèi)運(yùn)動及二次碰撞情況如圖17~18所示，工況6乘員330ms、1000ms在車廂內(nèi)運(yùn)動及二次碰撞情況如圖19~20，兩工況下各位置乘員傷害指標(biāo)見表4。工況5類似與工況1、3，工況6則類似與工況2、4，但相比于后者，工況5、6仿真時間較長，乘員發(fā)生二次碰撞次數(shù)及最后的姿態(tài)、位置不盡相同。例如工況5下2號假人在該工況下首先向后傾與隔墻相撞，然后彈開向前又與餐桌發(fā)生碰撞；工況6下1號假人首先向后傾與隔墻相撞，然后彈開導(dǎo)致假人向前運(yùn)動，膝蓋又與對面下鋪棱邊相撞，身體翻轉(zhuǎn)，最終頭部、胸部可能與床鋪碰撞。綜合來看工況5、工況6各位置假人傷害指標(biāo)，同樣發(fā)現(xiàn)相比于坐姿乘員，躺姿乘員相對處于較為安全位置，工況5躺姿假人傷害指標(biāo)均在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍之內(nèi)，1號假人胸部、雙腿受到嚴(yán)重傷害，2號假人頭部傷害指標(biāo)嚴(yán)重超標(biāo)；工況6中4、5號假人傷害指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)，1號假人胸部、雙腿受到嚴(yán)重傷害，2號假人雙腿軸向力及3號假人頭部傷害指標(biāo)都嚴(yán)重超標(biāo)。

圖17 工況5 580ms乘員二次碰撞及在車廂內(nèi)運(yùn)動情況

圖18 工況5 1000ms乘員二次碰撞及在車廂內(nèi)運(yùn)動情況

表4 工況5、工況6各位置假人傷害指標(biāo)

圖19 工況6 330ms乘員二次碰撞及在車廂內(nèi)運(yùn)動情況

圖20 工況6 1000ms乘員二次碰撞及在車廂內(nèi)運(yùn)動情況

5 結(jié)論

    論文參照標(biāo)準(zhǔn)EN15227及其他相關(guān)文獻(xiàn)，定義了6個典型碰撞工況對某200km/h臥鋪客車進(jìn)行耐撞性驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上對臥鋪車廂乘員在6個工況下的安全性進(jìn)行了評估。利用“一次碰撞響應(yīng)可被重復(fù)使用”、“乘員二次碰撞可與車輛一次碰撞剝離”等重要結(jié)論，通過詳細(xì)建立臥鋪車廂結(jié)構(gòu)，將客車一次碰撞“加速度—時間”響應(yīng)曲線作為輸入，借鑒汽車乘員安全標(biāo)準(zhǔn)FMVSS208，單獨(dú)對乘員二次碰撞進(jìn)行研究，重點(diǎn)討論比較了不同位置、不同姿態(tài)及不同性別乘員的損傷情況，得到如下主要結(jié)論：

    （1）在6個典型碰撞工況下，200km/h臥鋪客車車體縱向剛度分布合理，車端弱剛度區(qū)產(chǎn)生塑性變形，客室保持剛體運(yùn)動，客室加速度—時間歷程曲線可直接作為研究乘員二次碰撞輸入曲線。

    （2）6個碰撞工況下，坐姿乘相比于躺姿乘員處于更為危險(xiǎn)的位置；背對客車運(yùn)行方向的躺姿乘員受到的傷害相對較小；下鋪躺姿乘員頭部可能與餐桌發(fā)生多次碰撞而產(chǎn)生更大的傷害；中鋪、上鋪乘員則與護(hù)欄碰撞導(dǎo)致身體翻轉(zhuǎn)，有從床鋪上墜落的危險(xiǎn)。

    （3）針對臥鋪車廂結(jié)構(gòu)復(fù)雜，乘員二次碰撞具有多樣化，且少有相關(guān)文獻(xiàn)研究臥鋪車廂乘員二次碰撞的現(xiàn)狀，本文率先在這方面進(jìn)行了有益的嘗試，為體現(xiàn)以人為本思想的臥鋪車廂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及改進(jìn)提供了理論依據(jù)。

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