Прогнозирование уровня повреждений пассажиров в вагоне с местами для сидения при больших скоростях соударения

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 629.4

Прогнозирование уровня повреждений пассажиров в вагоне с местами для сидения при больших скоростях соударения

М.В. Бобров, М.А. Булычев

Предложена методика прогнозирования уровня повреждений пассажиров при аварийных соударениях вагона на основе математического моделирования. За критерий повреждений пассажиров принято повреждение головы.

Ключевые слова: пассажирский вагон, прогнозирование, аварийное соударение, критерий повреждений головы, математическая модель.

Безопасность движения на железнодорожном транспорте является ключевым понятием [1]. В пассажирских перевозках в это обобщающее понятие включена и безопасность пассажира. На современном этапе развития вычислительной техники и программных средств появляется возможность непосредственно рассмотреть безопасность пассажира как элемента динамической системы «человек - вагон» в различных поездных ситуациях [2].

Математическая модель человека-пассажира для анализа уровня его повреждений в аварийных ситуациях должна отвечать следующим требованиям:

- соответствие международным требованиям к манекенам и математическим моделям человека в аварийных ситуациях;

- возможность анализа параметров повреждений;

- достаточная простота использования;

- спектр значений параметров антропологии человеческих тел;

- наличие шарнирных соединений;

- возможность моделирования контактного взаимодействия.

С учетом изложенных требований и ряда дополнительных ограничений проведено численное моделирование ситуаций продольного соударения пассажирского вагона с местами для сидения с препятствием на различных скоростях. Целью исследования является прогнозирование повреждений головы пассажира в заданном интервале скоростей при размещении пассажира по ходу движения и против хода движения.

Кузов вагона рассматривается как абсолютно жесткое тело. Все элементы внутреннего оборудования также жестко закреплены в кузове. Линейные размеры и весовые параметры кузова вагона приняты по техническим характеристикам вагона мод. 61-4192. Количество мест в вагоне - 68. До момента соударения тело, представляющее кузов вагона, двигается с постоянной скоростью прямолинейно.

Препятствием для кузова является плоскость с заданными жесткостными и диссипативными свойствами. Порядок определения данных параметров приведен далее. Сила тяжести в системе составляет 1g.

Среда моделирования - программный комплекс «Универсальный механизм».

В разработанной модели манекена нет возможности моделирования активного поведения человека, отсутствуют элементы мышечного действия. Суставы моделируются обобщенными шарнирами с заданными упруго-диссипативными характеристиками. Элементы модели оснащены контактными элементами типа «сфера - сфера», что позволяет ограничить взаимопроникновение элементов друг в друга.

Кузов вагона смоделирован при помощи профильного элемента (рис. 1).

Рис. 1. Объект «Кузов»

Рис. 2. Объект «Кресло»

Массы и инерционные характеристики всех объектов рассчитаны внутренними средствами программного комплекса.

Геометрия кресел импортирована от 3-мерной модели кресла, предоставленного для исследований ООО «Циркон-сервис». Внешний вид кресла показан на рис. 2.

Размещение кресел внутри салона выполнено по планировке вагона мод. 61-4192. Расстояние шага размещения рядов кресел-900 мм. Крепление кресел к полу кузова - жесткое. В кузове размещены три перегородки.

Модель человека-пассажира реализована с учетом требований Международной ассоциации транспортной безопасности. Математическая модель объекта «Пассажир» идентична манекену DUMMY HYBRID III (BIG MAN). Манекены такого типа применяются в международной практике при оценке аварийной безопасности транспортных средств для всех типов транспорта. Параметры модели пассажира были определены для человека ростом 190 см, весом 100 кг, в возрасте 25 лет. Масс-инерциальные характеристики частей тела человека определены при помощи регрессионных зависимостей [3] и приведены в таблице.

Внутреннее взаимодействие частей модели пассажира осуществлено при помощи обобщенных шарниров с силовой и диссипативной составляющими. Степени свободы в шарнирных соединениях соответствуют степеням свободы, реализованным в манекене HYBRID III. Для создания внутреннего пространства модели человека использованы силовые элементы - контактные силы типа «сфера - сфера». Общее число элементов модели пассажира - 19.

Процесс взаимодействия модели человека с внутренним пространством купе осуществлен при помощи силовых контактных взаимодействий типа «точки - плоскость». Такие силовые элементы созданы для всех частей объекта «Купе» и элементов модели пассажира (рис. 3).

Шарнирные элементы позволяют ориентировать части модели пассажира в пространстве произвольно.

Модель пассажира размещается в кресле (рис. 4).

Параметры контактного взаимодействия определены путем сравнительного анализа величин ускорений по данным эксперимента и численного моделирования на заявленных скоростях соударения при натурных испытаниях [4].

Проведен сравнительный анализ ускорений частей кузова с расчетными значениями при моделировании (рис. 5).

Рис. 3. Модель пассажира

При сравнении видно, что значения ускорений численного эксперимента несколько занижены по сравнению с натурными данными (на 3…5,1%). Соответствующие величины контактного взаимодействия составили: жесткость - 1500000 Н/м, коэффициент диссипации - 150000 Нс/м.

Оценка повреждений пассажира проведена по критерию повреждений головы HIC36 (head injury criterion-HIC). HIC показывает значения стандартизированных максимальных интегральных ускорений головы. Существует несколько значений временных параметров для критерия: 36 мс, 15 мс.

Критерий определяется по следующей зависимости:

,

,

где - ускорения головы манекена (модели манекена) в долях g (g=9,81м/с²); - время начала и конца учитываемого интервала 36мс.

Рис. 4. Модель манекена в кресле

Рис. 5. Величины ускорений частей кузова при натурных испытаниях и в численном эксперименте: ¦-ударяемая сторона; ^-середина (эксперимент); ?-численное моделирование

Таблица

Масс-инерциальные характеристики элементов модели пассажира

Ситуация моделируется для скоростей 20,30,40,50 м/с. Рассматриваются два случая размещения пассажира: лицом по ходу движения и против хода движения вагона. В первом варианте модель манекена расположена в первом ряду кресел. На рис. 6 представлены рассчитанные значения критерия HIC36 и его предельный допускаемый уровень. На рис. 7 показаны расчетные положения манекена пассажира в различные моменты времени соударения (стоп-кадры) при скорости 45 м/с по ходу движения.

Рис. 6. Значения критерия HIC36 для заявленных скоростей соударений (вариант 1):

- допускаемое значение;

- результаты численного эксперимента

а) б)

Рис. 7. Положение модели (вариант 1): а - в начале процесса; б - в конце процесса

Во втором варианте модель манекена расположена во втором ряду кресел после внутренней перегородки. На рис. 8 представлены рассчитанные значения критерия HIC36 и приведен предельный допускаемый уровень критерия. На рис. 9 показаны положения манекена в различные моменты времени соударения при скорости 30 м/с против хода движения.

Рис. 8. Значения критерия HIC36 для заявленных скоростей соударений (вариант 2):

- допускаемое значение;

- результаты численного эксперимента

а) б)

Рис. 9. Положение модели (вариант 2): а - в начале процесса; б - в конце процесса

Основные результаты и выводы:

1. Разработана динамическая модель кузова пассажирского вагона мод. 61-4192 «Невский экспресс» конструкции ОАО «Тверской вагоностроительный завод». Модель может быть использована для анализа динамической нагруженности кузова в целом и элементов конструкции.

2. Верификация динамической модели кузова вагона проведена с использованием данных натурных испытаний ОАО «ТВЗ» на продольные соударения вагонов.

Сопоставление результатов расчета действующих ускорений позволило определить жесткостные параметры препятствия.

3. Проведена расчетная оценка критерия повреждений головы пассажира HIC36 при различных положениях модели и скоростях соударения вагонов.

Значения HIC36 показали, что при размещении пассажира лицом против хода движения на скоростях 20-40 м/с он не получает фатальных повреждений. Но при размещении его по ходу движения, а также против хода движения при скорости соударения выше 45 м/с(162км/ч) пассажир может получить повреждения, не совместимые с жизнью.

4. Численное моделирование позволяет оценить и другие критерии безопасности пассажиров при возникновении крушений пассажирского поезда с учетом жесткостных параметров крепления кресел и повреждений кузова вагона.

безопасность железнодорожный соударение повреждение

Список литературы

1. Вагоны. Основы конструирования и экспертизы технических решений: учеб. пособие для вузов ж.-д. транспорта /А.П. Азовский, Е.В. Александров, В.В. Кобищанов, В.Н. Котуранов, В.П. Лозбинев, М.Н. Овечников, Б.Н. Покровский, В.И. Светлов, А.А. Юхневский; под ред. В.Н. Котуранова.-М.: Маршрут, 2005.-490 с.

2. Кобищанов, В.В. Оценка безопасности прохождения пассажирскими железнодорожными составами стрелочных переводов/ В.В.Кобищанов, Д.Я. Антипин // Вестн. БГТУ. - 2012. - № 1. - С. 95-98.

3. Бегун, П.И. Биомеханика/ П.И. Бегун, Ю.А. Шукейло.- СПб.: Политехника, 2000. - 328 c.

4. Отчет о научно-исследовательской работе по теме 98.99.1.074/1«Ходовые динамические испытания вагона модели 61-4170».- Тверь, 1999. - 108с.

Размещено на Allbest.ru