一项调查的动态响应和碰撞期间站地铁乘客的头部受伤

文摘

随着地铁的发展,环境友好型交通的迫切需求,越来越多的人乘地铁旅行。近几十年来,火车上的乘客被动安全问题得到了广泛的关注。在这个研究中,站在地铁乘客的头部受伤了。三个不同的参数化模型站乘客的姿势,定义为基线场景,数值设置。嗝₁₅值的乘客不同的姿势得到系统的参数研究。各种场景的损伤数值模拟结果与不同的摩擦系数,碰撞加速度,站的角度,水平扶手的高度,和环扶手高度进行了分析。结果表明,在三个不同水平扶手提供更好的保护站乘客的姿势。不同摩擦系数和站的角度有很大的影响在三个不同的场景中头部受伤的乘客。扶手的高度也有一些影响头部受伤的乘客不同的站立姿势,所以设计时需要考虑的内部布局地铁。本研究可能的安全设计提供指导站地铁乘客的地铁和一些建议。

1。介绍

地铁已经成为城市居民最重要的旅行方式之一,由于其方便。由于高速的特点,高品质、地铁车辆和乘客密度高,会导致无法忍受在地铁碰撞事故的伤亡人数。2009年,在华盛顿地铁碰撞事故的发生,美国,导致近一百人伤亡1]。2011年,地铁与一辆卡车相撞,造成许多人员伤亡在洛杉矶,美国(2]。

一般来说,许多国家都集中在铁路车辆的防撞性上个世纪的80年代。在英国,铁路安全标准委员会(RSSC)修订了通用汽车/ RT 2100 iss4。它包含详细的内部培训的需求,如内饰和座椅间距。随后,英国提出了防撞标准AV / ST 9001,开始研究如何减少乘员二次碰撞伤害通过改变室内设计。

在美国,有多个研究解决铁路防撞性和乘员安全(3- - - - - -7]。联邦铁路管理局(FRA)赞助研究车辆的车辆碰撞响应和防撞性性能计算机分析和试验4- - - - - -6]。美国Volpe国家运输系统中心进行一系列的实车碰撞测试和乘员二次碰撞测试(4]。他们做了一些措施来减少乘员二次碰撞伤害(5]。Simons和柯克帕特里克使用车辆碰撞加速度响应计算环境的汽车内部的数学模拟。另外,他们应用加速度环境模拟响应和受伤的乘客坐在配置(6]。大巴上的碰撞,车辆兼容性问题,提出了在典型的公共交通巴士与轿车碰撞,轻型卡车、重型卡车通过使用数值有限元模拟(7]。

在日本,早在1997年,乘客的伤亡在火车碰撞成为被关注的焦点8,9]。2002年,自发的自我保护的姿态,提出了研究的乘客受伤(10]。随后,2008年,长凳上在火车上乘客的行为冲突进行了研究[11]。2012年,几个研究研究的通勤火车穿越事故的行为。作者发现扶手或挡板能减少乘客伤害的可能性12]。

在欧盟,SAFETRAIN、SAFETRAM TRAINSAFE、安全的内部,和其他项目进行相关研究的防撞性和乘员安全城市轨道车辆。其中包括研究坐姿势,乘员损伤在室内环境中,和碰撞能量管理(CEM)需求不同的车辆。这些努力支持欧洲铁路的发展2007年EN15227防撞性标准。

在中国,有一些防撞性研究大学。模型的console-seat-dummy优化提出了司机的工作空间(13]。随后,乘客受伤的主要影响因素(14)和事故车辆的能量吸收需求(15被认为是。要求车辆结构设计是一个极大的帮助。后,乘员二次碰撞的动态响应16]目的损伤预测的影响。

目前的研究集中在火车碰撞安全相关问题。调查发现,多数的人受伤的结果是次要居住者之间的碰撞和其他对象17- - - - - -19]。乘员二次碰撞意味着损害是由接触引起的车辆的内部(20.- - - - - -22]。头部受伤是最调查交通伤害和损伤准则(嗝)是最常用的损伤指数的乘客(20.- - - - - -25]。然而,地铁乘客的安全问题是忽视,由于地铁车辆的特点,包括高速、高质量和高乘客密度。的桥梁,我们的研究的目的是评估站地铁乘客的头部受伤的风险,因此给这些乘客的一些建议防止严重伤害。节2事故场景,包括人类和车辆模型和有限元(FE) head-ground影响模型,建立了。节3,三个基线场景下的损伤结果进行了分析。节4、全面的参数讨论了显示站地铁乘客的头部损伤的机理。

2。方法

评估期间站乘客的头部受伤事故,三个不同的站乘客的姿势,即水平扶手乘客,环扶手乘客,乘客和垂直扶手,被认为是。几乎所有站地铁乘客的场景。基于参数化的数值模拟场景设置(参数化7.5,荷兰应用科学研究组织,代尔夫特,荷兰)(26)平台。参数化平台是用于研究汽车碰撞安全(27]。

在分析影响EN15227标准中指定的条件应用(如图1)[28]。潮湿的天气条件下,地铁模型所考虑。因此,三个不同的基线场景站乘客姿势设置限制在5.67 g加速度较低(图所示1),鞋子和地板之间的静态摩擦系数为0.49 (29日与0°,站的角度,水平扶手和戒指扶手的高度是1850毫米和2000毫米,分别。

进一步量化碰撞场景,进行数值模拟在不同的碰撞加速度,摩擦系数(脚与地板之间),站的角度,扶手高度(从扶手上)共有270数值模拟(见表1)。数值模拟碰撞条件的碰撞加速度改变每0.5 g的范围从2 g到10 g。设置不同梯度的摩擦系数从0.49(基线场景)0.05到0.85的区间。站的角度设置为主导变量,也就是说,0, , , , , , , (如图2)。水平扶手的高度和戒指扶手设置从1830毫米到1950毫米和1950毫米到2050毫米的间隔10毫米,分别。

考虑到头部受伤的重要性,我们将头部有限元模型来模拟边界条件的分析在基线场景中,分别。基线场景的参数化模拟的结果与三种不同站乘客姿势作为有限元模拟的边界条件。头影响边界条件包括线速度、角速度,头部的位置,和头部线性加速度(30.]。

2.1。事故场景

三个模型站在基线场景如图3。地铁扶手的相关设计参数对应于在中国实际的设计服务。

2.2。人体模型

男性50百分位行人模型(1.74米,75.7公斤)包含在参数化(31日)选择代表站地铁乘客。这个模型被广泛接受的事故分析和重建研究评估人体运动学和损伤电位(32,33]。行人模型由52个刚体,外表面被69椭圆体,有52个关节内的人体模型。

2.3。手的模型

之间的手模型和扶手,我们定义了一个接触故障模拟手柄力(29日]。20 - 59岁的男性的平均握力是中国450 N [34]。当手柄力达到450 N,手模型和扶手之间的联系变得无效。

2.4。损伤评价指标

嗝是被广泛接受的评估头部损伤的严重程度(9,10,23,30.,35,36]。嗝₁₅是与平均角加速度(9和可以避免一些潜在的错误10]。因此,嗝₁₅选择在次要的影响。

2.5。有限元(FE) Head-Ground影响模型

HBM-head模型被用来构建铁head-ground模型(36,37]。HBM-head模型进行验证和广泛应用领域的颅骨和脑损伤研究[38- - - - - -42]。地铁铝蜂窝地面FE模型(43]。图4显示了铁head-ground影响模型。head-ground影响重建过程是通过使用三个坐标点的HBM-head与地面的相对位置。线速度、角速度和线性加速度作为边界条件。这种方法采用头质量的影响研究颞顶头骨的影响(44]。

3所示。结果

从动态的角度,站在地铁客运事故可分为三个阶段,即hand-handrail接触阶段(I), hand-handrail分离阶段(2),(III)和head-floor接触阶段,显示在图5。在第一阶段,三种站地铁乘客的扶手在三种不同的方式。在第二阶段,手柄的乘客达到450 N。手模型和扶手之间的联系变得无效。在第三阶段,站地铁乘客摔倒,头部和地板接触。站在地铁乘客的运动机制三个姿势被参数化了。

3.1。合成手柄力

手柄力直接反映了扶手的手,分开的时候。如图6的手柄力水平扶手乘客,戒指扶手乘客,和垂直扶手乘客达到450 N在142毫秒,94毫秒,78毫秒,分别。水平扶手最大影响整个乘客响应(整合强迫时间历史),和戒指扶手的影响最小。它(图中可以观察到的行为7)。水平的扶手,手的姿势站乘客女士从0更改为142毫秒,而它保持相同的女士从0到94 ms的扶手。有一些波动水平扶手曲线和垂直扶手曲线到达顶峰。它可以解释说,手不碰扶手一开始。

3.2。结果头加速度

同样影响场景选择在前面的小节中,三个基线场景三个姿势代表的模拟结果。如图8水平扶手和扶手在head-floor接触,有几个小峰头加速度曲线,而峰值在垂直的扶手。原因是手臂起到一个缓冲作用,当站地铁乘客在垂直的扶手摔倒。头部加速度达到峰值时首次接触头和地板上。的峰值水平扶手和扶手迟到,相比在垂直的扶手。的峰值最大垂直扶手是最小的三个站的姿势,也就是说, 。这可以解释arm-floor接触减轻冲击能量的一部分。环站地铁乘客的扶手,head-floor接触的时间较长时间在水平扶手。这导致了更大的价值的嗝₁₅,这是 和 ,分别。

3.3。头部重心位移(CG)

头重心的位移(CG)反映了直接的运动运动站地铁乘客在三站的姿势。头部位移方向水平位移沿碰撞的车身跌倒。位移是相对于参考坐标系定义为固定位置在车身地板上。头部位移几乎线性增加。这表明速度保持恒定。突然梯度变化可观测到的位移时间历史曲线的三个站的姿势(图9)。头部运动的约束是head-floor接触。梯度发生在约620毫秒,的三个姿势站地铁乘客头部接触地板,即634.6毫秒,621.5毫秒,分别和618.6 ms。

3.4。头部重心(CG)的速度

的速度历史曲线站地铁乘客头部重心在三站的姿势在图表示10。的一般趋势曲线上升和一些小波动峰值出现之前,由于手的力量站地铁乘客。头CG的速度到达峰值abdomen-vehicle发生联系时,突然下降引起的。之后,有一波又一波的速度head-vehicle接触后出现。随后,头部重心速度趋于相对稳定。

3.5。头部损伤分析有限元模型

三基线场景选择在三个不同站乘客姿势评估铁head-ground影响模型的头部受伤。头部受伤与政变压力和头骨·冯·米塞斯应力进行了分析,结果显示在图11。政变的最大压力(362.8 kPa)和最低政变压力环扶手(−246.3 kPa)发生的场景。和最大头骨·冯·米塞斯应力(31.36 MPa)发生在垂直扶手场景。所有的政变压力梯度分布。颧骨上的最大头骨·冯·米塞斯应力集中。

4所示。讨论

4.1。不同摩擦系数参数研究

乘客与地面之间的摩擦系数有显著的影响在碰撞(28]。在图12之间的关系,头部受伤嗝₁₅价值和摩擦系数。不同的冲击加速度条件被认为是:下限加速度(5.67 g),中间的加速度(6.85 g),上限加速度(8.0克)的数据12(一个)- - - - - -12 (c),分别。其他参数保持在基线情况下一样。结果表明,嗝₁₅站地铁乘客的水平扶手和垂直扶手摩擦系数的增大而增大,而嗝₁₅环的扶手随摩擦系数的增加而减小。这表明摩擦系数在不同的站立姿势有巨大的影响。

最大和最小的嗝₁₅(在图12(一个),一个基线场景)三个姿势是用来调查摩擦系数如何影响机制的影响。如数据所示(13日)- - - - - -13 (c),三个姿势head-floor接触的时间是不同的。head-floor接触在先时,摩擦系数为0.85,与0.49相比三体式。它可以解释说,hand-handrail超然的时间是不同的,更大的摩擦系数使人跌倒在碰撞更快。这些发现可以通过汽车制造商减少头部受伤。

4.2。为各种碰撞加速度参数研究

很明显,碰撞条件是一个主导因素。需要量化影响头部损伤带来的碰撞情况。如图14很明显,总体增加的碰撞加速度曲线上升。曲线变化不正常时碰撞加速度小于3 g。它可以解释说,没有考虑站地铁乘客的自动平衡机制模型。

相比之下,嗝₁₅分别的三个姿势,有一个突变点5.5克左右。嗝₁₅分数相当大碰撞加速度时5.5 g水平扶手和5.0 g环扶手。最大的嗝₁₅三个姿势出现在9.0 g。它可以观察到数据(15日)- - - - - -15 (c)。令人惊讶的是,周围的点突变5.5 g接近下限加速度在AV / ST 9001。这些发现为碰撞的建立有一定的参考标准。

4.3。为各种站角度参数研究

站在的角度被认为是一个变量(9]。数据(16日)- - - - - -16 (c)显示的三个姿势站下地铁乘客不同站角度下限加速度(5.67 g),中间的加速度(6.85 g),和上限加速度(8.0 g),分别。

嗝的变化趋势₁₅在不同的站的角度有些不规则。如图16的水平扶手站地铁乘客,嗝₁₅小站的角度是什么时候吗 。的嗝₁₅是相当大的,当0,站的角度 。的戒指扶手站地铁乘客,嗝₁₅达到最大时,当站的角度为0。最小的嗝₁₅发生在 或 。至于垂直站地铁乘客的扶手,站的角度 造成最小的嗝₁₅,而最大的嗝₁₅发生在0和 。一般来说,最大的嗝₁₅出现在曲线的两端。它可以解释为head-floor直接接触。

找出细节行为碰撞接触,头部加速度曲线提取还有三个人物的姿势(17日)- - - - - -17 (c)。它可以观察到,嗝₁₅是早些时候头接触的时间变得更高。原因是手起着保护作用,这意味着hand-floor接触在先而head-floor接触和嗝₁₅是小的在同一时间。这一发现提供了一些指导站方向的地铁乘客。

4.4。对各种高度参数研究

先前的研究和设计表明,扶手的高度可能会带来不同的后果地铁乘客在撞击的伤害10]。它也是有趣的讨论各种高度造成的影响的扶手站地铁乘客头部受伤。标准水平扶手和戒指扶手的高度1850毫米和2000毫米,分别。数据(18日)和18 (b)显示嗝之间的关系₁₅值和高度的水平扶手和戒指扶手三碰撞条件。从曲线,6.85 g和8.00 g场景在环扶手高度2000毫米高伤害值,但他们更低的1990毫米和2010毫米高度。水平的扶手,标准高度1850毫米在中间水平。的嗝₁₅值对扶手的高度敏感。这一发现有助于扶手设计,除了考虑人体工程学。

5。结论

本文数值碰撞条件成立调查期间站乘客的头部损伤事故有三个站的姿势,即水平扶手,扶手,和垂直的扶手。三个基线场景设置三种不同的站地铁乘客的姿势。头部有限元模型研究了强调重要性头部受伤的三基线场景。然后,参数研究进行了基线场景,如摩擦系数、碰撞加速度,站的角度,扶手高度。

分析的基础上,提出了以下更改或建议地铁和站地铁的乘客。刚度较低的橡胶用于地板和适当的扶手高度应考虑。结果表明,更大的加速度是可能导致更严重的站地铁乘客头部受伤。因此,司机培训应包括在碰撞发生时快速制动。站地铁乘客应该劝阻站在一定的角度向地铁方向移动。本文根据195年的数值模拟(除了75年的数值模拟研究各种高度),病例的数量水平扶手获得最低的嗝₁₅值占61.5%(40 65)的模拟。水平扶手更安全,而环扶手和垂直的扶手。

应该注意的是,在画最终结论之前站乘客的头部受伤期间崩溃,更多的研究需要扩展在未来,由于本文的局限性。首先,平衡人体需要闭环控制使用神经信号激活生成一个复杂的摇摆运动的肌肉。我们不考虑资产的损失。在紧急制动条件下它是不准确的。其次,头部受伤只是其中一个因素可能会导致站地铁乘客受伤。其他致命的伤害不考虑,如腹部损伤和严重胸外伤。第三,只有站的地铁乘客被认为是,坐地铁乘客是无知的。最后,铁影响模拟只有菲头模型(non-FE人体模型)可能会有一些限制,所以一个行人FE模型(例如,GHBMC模型或使模型)将被认为是在未来。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

支持的工作是由中国国家自然科学基金(51405517,U1334208),湖南省自然科学基金(2015 jj3155),中国博士后科学基金会(2015 m570691),中国国家重点研发项目(2016 yfb1200505)和基础研究基金为中央大学中南大学(2018 zzts165)。

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