國外機車車輛工業發達的國家，自上世紀80 年代開始，利用試驗及數值仿真的方法相繼對軌道車輛內部乘員與客室結構的二次碰撞進行了大量研究，且有相關標準的頒布，例如英國的車輛內飾結構耐撞性標準《ATOCAV/ST9001》以及美國的旅客列車設備安全規范《49 Codeof Federal Regulations（CFR）》

本文正是基于國內外乘員二次碰撞研究的現狀，借鑒汽車領域內使用廣泛的安全評價標準，在臥鋪客車典型碰撞工況的基礎上，通過建立臥鋪車廂結構詳細的局部有限元模型，采用ANSYS/LS-DYNA 軟件對臥鋪車廂乘員進行多工況、多指標的碰撞安全性評價，重點討論比較了不同姿態、不同位置、不同性別乘員的受傷情況。

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

頭部損傷判據為36 HIC / 15 HIC ， 36 HIC 主要是針對50 百分位的成年男性假人模型， 15 HIC 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t1到時間點t2 (t1 < t2 ) 相隔不超過30/15 毫秒的時間歷程內，乘員的頭部損傷判據36 HIC / 15 HIC 應通過假人頭部重心位置的合成加速度r a 計算得到，該合成加速度表達為重力加速度g 的倍數，碰撞過程中36 HIC 的值不得超過1000， 15 HIC 的值不得超過700，其計算表達式為：

胸部合成加速度持續時間大于3 毫秒的部分不應超過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超過76mm，而對于5百分位的成年女性假人模型則不應該超過52mm。該加速度指標在本文中記作“3ms acc ”，壓縮變形記作“deflection”。

該標準規定碰撞過程中，經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。本文中該指標記作“leg force”。

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x F ，軸向力z F 和彎矩oyc M 的作用可分為四種可能出現的組合情形：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上述某一種情況，每一時刻頸部損傷判據ij N 可通過下式計算得到：

為了準確模擬乘員的二次碰撞，需要詳細建立臥鋪車廂的有限元模型，查閱相關資料，得到我國現行軌道臥鋪客車車廂出尺寸數據，見表1。

臥鋪車廂結構有限元模型如圖1 所示，其中床鋪、枕頭用體單元進行模擬，其余結構全部用殼單元進行模擬。通過選用ANSYS/LS-DYNA中57#材料并配有合適的應力應變曲線（見圖2），可以準確得模擬床鋪、枕頭的剛度特

通過將站姿假人模型旋轉，且調節頸部、下肢關節使之變為平躺假人模型。假人模型定義示意圖如圖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躺的男性乘員；4 號假人用于模擬在中鋪上側躺的女性乘員；5 號假人用于模擬在上鋪平躺的男性乘員。

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

計算結果表明，6 個碰撞工況下，200km/h 臥鋪客車僅車端弱剛度區域產生塑性變形，客室保持剛體運動，結構完整，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，各車輛沒有發生脫軌、橫向折曲、爬車等現象。計算得到各工況下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。

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。

個指標嚴重超標，1 號假人因膝蓋與床鋪棱角相撞，左、右腿軸向力嚴重超標，胸部合成加速度也大于規定的60g，2 號假人頭部與隔墻相撞，頭部損傷標準遠遠大于規定的1000，左、右腿軸向力也有所超標；相比于1、2號假人，3、4、5 號假人各損傷指標相對較小，均在標準規定的范圍內，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。

工況2 下乘員二次碰撞及在車廂內的運動情況如圖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；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 號假人首先與護欄相撞，然后身體翻轉，有從上鋪墜下的危險。由表2 可知，工況2 下各假人傷害指標都有超標，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；2 號假人損傷最為嚴重，有4 個指標嚴重超標，胸部、雙腿受到嚴重傷害。此外，1 號假人頭部傷害指標嚴重超標，5 號假人左腿指標有所超標，其他傷害指標相對較好，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的運動情況，工況3、4 客車行駛方向正好相反。由圖不難看出，工況3、4 下乘員在車廂內運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，工況3 下1、2 號假人受到傷害較為嚴重，與工況1 極為類似，但相比于工況1，1號假人頭部損傷嚴重超標，2 號假人胸部合成加速度嚴重超標，而雙腿軸向力由于仿真時間變短而下降到標準規定的范圍內；此外，工況3 中5 號假人雙腿軸向力有所超標。工況4 各假人傷害指標與工況2 類似，但總體來說假人傷害指標相比于工況2 來說有所下降，而且5號假人各傷害指標均在標準規定范圍之內。綜合工況1、2、3、4 可知，在臥鋪車廂內，坐姿乘員相比于躺姿乘員受到的傷害更為嚴重，背對車輛行駛方向側躺乘員相對處于較為安全的位置。

工況5 乘員580ms、1000ms 在車廂內運動及二次碰撞情況如圖17~18 所示，工況6 乘員330ms、1000ms在車廂內運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，乘員發生二次碰撞次數及最后的姿態、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，然后彈開導致假人向前運動，膝蓋又與對面下鋪棱邊相撞，身體翻轉，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，同樣發現相比于坐姿乘員，躺姿乘員相對處于較為安全位置，工況5 躺姿假人傷害指標均在標準規定范圍之內，1 號假人胸部、雙腿受到嚴重傷害，2 號假人頭部傷害指標嚴重超標；工況6 中4、5 號假人傷害指標滿足標準，1 號假人胸部、雙腿受到嚴重傷害，2 號假人雙腿軸向力及3 號假人頭部傷害指標都嚴重超標。