【往年优秀论文赏析】机载设备随机振动疲劳寿命分析

国外机车车辆工业发达的国家，自上世纪80 年代开始，利用试验及数值仿真的方法相继对轨道车辆内部乘员与客室结构的二次碰撞进行了大量研究，且有相关标准的颁布，例如英国的车辆内饰结构耐撞性标准《ATOCAV/ST9001》以及美国的旅客列车设备安全规范《49 Codeof Federal Regulations（CFR）》

本文正是基于国内外乘员二次碰撞研究的现状，借鉴汽车领域内使用广泛的安全评价标准，在卧铺客车典型碰撞工况的基础上，通过建立卧铺车厢结构详细的局部有限元模型，采用ANSYS/LS-DYNA 软件对卧铺车厢乘员进行多工况、多指标的碰撞安全性评价，重点讨论比较了不同姿态、不同位置、不同性别乘员的受伤情况。

轨道车辆乘员二次碰撞技术基本思想是在有限元模型中引入仿生学的假人模型，计算在被评估工况下假人的伤害指标，通过与人体能够承受的对应极限指标相比较来评估乘员的伤害程度。目前，通过数值仿真研究乘员二次碰撞安全性主要有以下两种方法：

头部损伤判据为36 HIC / 15 HIC ， 36 HIC 主要是针对50 百分位的成年男性假人模型， 15 HIC 主要是针对5 百分位的成年女性假人模型。在碰撞过程中从任意一个时间点t1到时间点t2 (t1 < t2 ) 相隔不超过30/15 毫秒的时间历程内，乘员的头部损伤判据36 HIC / 15 HIC 应通过假人头部重心位置的合成加速度r a 计算得到，该合成加速度表达为重力加速度g 的倍数，碰撞过程中36 HIC 的值不得超过1000， 15 HIC 的值不得超过700，其计算表达式为：

胸部合成加速度持续时间大于3 毫秒的部分不应超过60g，这对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样的；胸骨相对脊柱的压缩变形对于50 百分位的成年男性假人模型不应超过76mm，而对于5百分位的成年女性假人模型则不应该超过52mm。该加速度指标在本文中记作“3ms acc ”，压缩变形记作“deflection”。

该标准规定碰撞过程中，经过大腿骨传递的轴向力对于50 百分位的成年男性假人模型不得超过10008N，而对于5 百分位的成年女性假人模型则不得超过6805N。本文中该指标记作“leg force”。

碰撞过程中，颈部上端承力位置即枕髁处的变形按照其剪切力x F ，轴向力z F 和弯矩oyc M 的作用可分为四种可能出现的组合情形：拉伸并向后延长弯曲、拉伸和向前弯曲、压缩和向后延长弯曲以及压缩和向前弯曲等。事故任意确定时刻只可能出现上述某一种情况，每一时刻颈部损伤判据ij N 可通过下式计算得到：

为了准确模拟乘员的二次碰撞，需要详细建立卧铺车厢的有限元模型，查阅相关资料，得到我国现行轨道卧铺客车车厢出尺寸数据，见表1。

卧铺车厢结构有限元模型如图1 所示，其中床铺、枕头用体单元进行模拟，其余结构全部用壳单元进行模拟。通过选用ANSYS/LS-DYNA中57#材料并配有合适的应力应变曲线（见图2），可以准确得模拟床铺、枕头的刚度特

通过将站姿假人模型旋转，且调节颈部、下肢关节使之变为平躺假人模型。假人模型定义示意图如图3 所示，图中1 号假人用于模拟在下铺上处于坐姿的乘员女性乘员；2号假人为50 百分位的男性假人模型，主要用于模拟在下铺上坐姿乘员与餐桌的二次碰撞；3 号假人用于模拟在下铺上侧躺的男性乘员；4 号假人用于模拟在中铺上侧躺的女性乘员；5 号假人用于模拟在上铺平躺的男性乘员。

在ANSYS/LS-DYNA 中，对某200km/h 卧铺客车进行有限元建模，车体大部分结构采用壳单元进行模拟，减震器、抗侧滚扭杆座采用体单元进行模拟，点焊及螺栓通过梁单元进行模拟，车钩缓冲器、空气弹簧采用离散梁单元来模拟，设备质量用质量单元来模拟且通过RBE2、RBE3 连接到其质心位置上，剩余其他质量则均布在底架地板上。

计算结果表明，6 个碰撞工况下，200km/h 卧铺客车仅车端弱刚度区域产生塑性变形，客室保持刚体运动，结构完整，客车车体纵向刚度分布较为合理，乘员生存空间可以得到保证；在碰撞工况5、6 下，各车辆没有发生脱轨、横向折曲、爬车等现象。计算得到各工况下200km/h 卧铺客车客室纵向冲击加速度—时间历程曲线如图7~12 所示。

由图可知，工况1、2，工况3、4，工况5、6 虽然边界条件完全一样，但由于客车车体一、二位端不完全对称，碰撞历程时间及加速度—时间变化曲线有所差别。得到的“加速度—时间”历程曲线可以直接用于乘员二次碰撞安全性研究的输入曲线。

个指标严重超标，1 号假人因膝盖与床铺棱角相撞，左、右腿轴向力严重超标，胸部合成加速度也大于规定的60g，2 号假人头部与隔墙相撞，头部损伤标准远远大于规定的1000，左、右腿轴向力也有所超标；相比于1、2号假人，3、4、5 号假人各损伤指标相对较小，均在标准规定的范围内，但因4 号假人可能从床铺上坠下，最后其受到的损伤可能会更大。

工况2 下乘员二次碰撞及在车厢内的运动情况如图14 所示，工况2 与工况1 客车行驶方向正好相反。该工况下，1 号假人向后倾，头部、背部与隔墙相撞，双腿向上抬升；2 号假人飞离其位置，胸部与餐桌相撞挤压，小腿与对面下铺棱边相撞后弹开，上身绕胸部旋转；3号假人同样飞离其位置，首先头部与餐桌相撞，然后身体失去平衡，横跨在两下铺之间；4 号假人背对客车行驶方向，背部紧贴着隔墙；5 号假人首先与护栏相撞，然后身体翻转，有从上铺坠下的危险。由表2 可知，工况2 下各假人伤害指标都有超标，相对来说，4 号假人

相对较好，只有胸部合成加速度稍微超标；2 号假人损伤最为严重，有4 个指标严重超标，胸部、双腿受到严重伤害。此外，1 号假人头部伤害指标严重超标，5 号假人左腿指标有所超标，其他伤害指标相对较好，但因其可能从上铺坠下，最终受到的伤害可能会更大。

图15、图16 分别给出了工况3、工况4 下乘员二次碰撞及在车厢内的运动情况，工况3、4 客车行驶方向正好相反。由图不难看出，工况3、4 下乘员在车厢内运动轨迹基本上和工况1、2 一致，只有由于仿真时间不同，各位置假人最后姿态不一样。表3 分别给出了这两个工况下各位置假人的伤害指标，工况3 下1、2 号假人受到伤害较为严重，与工况1 极为类似，但相比于工况1，1号假人头部损伤严重超标，2 号假人胸部合成加速度严重超标，而双腿轴向力由于仿真时间变短而下降到标准规定的范围内；此外，工况3 中5 号假人双腿轴向力有所超标。工况4 各假人伤害指标与工况2 类似，但总体来说假人伤害指标相比于工况2 来说有所下降，而且5号假人各伤害指标均在标准规定范围之内。综合工况1、2、3、4 可知，在卧铺车厢内，坐姿乘员相比于躺姿乘员受到的伤害更为严重，背对车辆行驶方向侧躺乘员相对处于较为安全的位置。

工况5 乘员580ms、1000ms 在车厢内运动及二次碰撞情况如图17~18 所示，工况6 乘员330ms、1000ms在车厢内运动及二次碰撞情况如图19~20，两工况下各位置乘员伤害指标见表4。工况5 类似与工况1、3，工况6 则类似与工况2、4，但相比于后者，工况5、6 仿真时间较长，乘员发生二次碰撞次数及最后的姿态、位置不尽相同。例如工况5 下2 号假人在该工况下首先向后倾与隔墙相撞，然后弹开向前又与餐桌发生碰撞；工况6 下1 号假人首先向后倾与隔墙相撞，然后弹开导致假人向前运动，膝盖又与对面下铺棱边相撞，身体翻转，最终头部、胸部可能与床铺碰撞。综合来看工况5、工况6 各位置假人伤害指标，同样发现相比于坐姿乘员，躺姿乘员相对处于较为安全位置，工况5 躺姿假人伤害指标均在标准规定范围之内，1 号假人胸部、双腿受到严重伤害，2 号假人头部伤害指标严重超标；工况6 中4、5 号假人伤害指标满足标准，1 号假人胸部、双腿受到严重伤害，2 号假人双腿轴向力及3 号假人头部伤害指标都严重超标。