高速列车追尾碰撞时乘员头颈部损伤力学响应与风险评估.pdf

第41卷第1期2024 年2 月文章编号：10 0 0-49 3 9(2 0 2 4)0 1-0 0 7 7-13应用力学学报Chinese Journal of Applied MechanicsVol.41 No.1Feb.2024高速列车追尾碰撞时乘员头颈部损伤力学响应与风险评估于振浩，敬霖，黄志辉（西南交通大学轨道交通运载系统全国重点实验室，6 10 0 3 1成都）摘要：基于代表我国50 th百分位男性人体特征的假人模型，构建了列车-假人一体化被动安全性仿真分析有限元模型，分析了列车追尾碰撞过程中乘员的运动姿态，探讨了乘员头/颈部的生物力学响应特征，揭示了座椅排次对乘员头/颈部损伤响应的影响机制，建立了基于生物力学参数的乘员头/颈部损伤风险预测模型。结果表明：追尾列车中乘员面部与前排座椅的碰撞接触可能会引起原发性脑干损伤，乘员颈部前/后弯曲均会导致下颈部颈椎出现较大应力，而颈部前/后弯曲分别导致上颈部和下颈部椎间盘出现较大应力；现有标准中规定的N,耐受限值会显著低估列车追尾碰撞中乘员颈部的损伤情况。关键词：高速列车；追尾碰撞；全体段缩放方法；力学响应；损伤评估中图分类号：U270Mechanical response and risk assessment of head and neckinjury in high-speed train rear-end collision(State Key Laboratory of Rail Transit Vehicle System,Southwest Jiaotong University,610031 Chengdu,China)Abstract:A finite element model for train-dummy integrated passive safety simulation analysis wasconstructed based on the dummy model representing the male human characteristics of 50th percentile inChina.The atitude changes of occupants during train collisions were analyzed,and the mechanicalresponse characteristics of the head and neck of occupants were explored.The influence mechanism of seatalignment on occupants head and neck injury response was also revealed,and an injury risk predictionmodel based on head and neck biomechanical injury parameters was developed.The results show that thecollision between the occupants face and the front seat may cause primary brain stem injury.The front andback curvature of the occupants neck will lead to the greater stress in the lower neck cervical spine,and itwill also lead to the greater stress in the intervertebral disc of upper and lower necks,respectively.The N;tolerance limit specified in the current standard will significantly underestimate the neck injuries sufferedby occupants in rear-end train collisions.收稿日期：2 0 2 3-0 6-2 7基金项目：国家自然科学基金资助项目（No.12122211）；四川省自然科学基金资助项目（No.2022NSFSC0035）通信作者：敬霖，研究员。E-mail：j i n g l i n s w j t u.e d u.c n引用格式：于振浩，敬霖，黄志辉。高速列车追尾碰撞时乘员头颈部损伤力学响应与风险评估J.应用力学学报，2 0 2 3,41（1）：7 7-8 9.YU Zhenhao,JING Lin,HUANG Zhihui.Mechanical response and risk assessment of head and neck injury in high-speed train rear-end colli-sionJ.Chinese journal of applied mechanics,2023,41(1):77-89.文献标志码：AYU Zhenhao,JING Lin,HUANG Zhihui修回日期：2 0 2 3-0 9-2 8D01:10.11776/j.issn.1000-4939.2024.01.00878Key words:high-speed train;rear-end collision;whole segment scaling method;mechanical response;injury assessment我国高速列车通过不断的技术创新，突破了高速列车系列关键技术,形成了自主研发能力。截止2022年底，我国高速铁路运营里程从2 0 12 年的0.9万公里增长到4.2 万公里，已成为全世界高速列车在线数量最大、运营时速最高的国家。高速列车属于多车辆编组的复杂系统,在碰撞过程中具有较大的冲击动能，碰撞后列车的响应姿态、动态失稳行为以及司乘人员的生物损伤机理极其复杂。因此,开展不同碰撞速度等级下乘员关键部位的损伤力学响应与风险评估研究，可为列车被动安全防护设计、列车耐撞性能优化提供理论基础和技术支撑，具有重要的学术和工程价值1-4。列车碰撞试验存在危险性高、重复性差、试验周期长等问题,而数值仿真能够大量缩减时间与经济成本。因此，有限元假人模型被广泛应用于列车碰撞中乘员的冲击损伤机理与防护研究,成为列车碰撞被动安全性研究的主要手段。佟鑫等5 基于 Hy-bridII假人有限元模型对新型纵向卧铺客车与传统横向卧铺列车中乘员的损伤情况进行了对比研究，发现纵向卧铺的内饰布置可以降低乘员损伤风险。PENG等6 通过多体假人模型与具有精细组织的人体模型（humanbodymodel,HBM）和虚拟人体模型(total human model for safety,THUMS）头部模型相结合,研究了地铁站姿乘员的头部损伤响应。OMINO等7 利用THUMS有限元假人模型研究了列车碰撞中位于长椅乘客的胸部损伤行为。WANG等8 基于THUMS假人有限元模型和传统刚性假人模型比较了列车碰撞中司机的损伤响应，发现基于THUMS假人模型的仿真结果能够更详细、全面地描述司机的损伤情况。上述研究中所采用的假人模型均是基于欧美人体特征建立的，而我国人体特征和生物力学响应等与国外人体存在显著差异。相关研究也表明在汽车/列车的碰撞中，人体特征对乘员损伤响应的影响不可忽视10 。因此,在列车碰撞中如何有效借鉴和参考汽车行业的成熟经验，开展我国人体特征乘员的损伤评估与风险预测，仍需进一步研究和探索。本研究采用LS-DYNA显式有限元软件构建了列车-假人一体化被动安全性仿真分析有限元模型，分析了列车追尾碰撞中乘员头颈部典型的生物力学应用力学学报响应，讨论了座椅排次对头/颈部损伤力学响应的影响规律，开展了不同碰撞工况下乘员头/颈部的损伤评估与风险预测。1列车-假人一体化仿真分析模型以我国铁路某型高速列车为研究对象，建立了包含4节被追尾车辆（S1S 4）和4节追尾车辆（M 1 M 4)的2 列4 编组列车碰撞有限元模型,如图1(a)所示。基于文献11 中对列车碰撞条件下的网格敏感性分析，结合本研究仿真工况，确定了有限元模型的网格尺寸，即对车体端部等主要变形区域采用3 0 mm网格进行细化处理，而车体中部等其他区域采用8 0 mm网格进行过渡。头车有限元模型包含50 7 6 50 个单元、453 9 6 8 个节点，中间车有限元模型包含3 7 43 0 6 个单元、2 9 8 6 7 7 个节点。此外，还建立了高速列车二等座椅的有限元模型,如图1（b）所示，座椅所有部件全部采用8 节点实体单元进行网格划分,其中座椅支架的网格尺寸为10 mm、坐垫和靠背的网格尺寸为5mm，整个座椅有限元模型共包括6 43 13 7 个单元和6 18.9 9 9 个节点12-13 针对我国人体特征与欧美人体的差异，采用全体段缩放方法对欧美50 th百分位男性假人模型（T H U M S-A M 50）进行了缩放，建立了具有中国50 th百分位男性人体特征的有限元假人模型。首先根据GB100001988（中国成人人体尺寸）14 和GB/T172452004（成年人人体惯性参数）【15】中规定的我国人体测量学尺寸和质量参数，确定了各体段的尺寸/质量缩放系数，如表1所示；然后对THUMS-AM50模型进行分段缩放，缩放前后对比如图1（c）所示（左边为THUMS假人模型,右边为缩放后的模型），并通过尸体试验数据验证了缩放后假人模型的生物逼真度。具体缩放方法、缩放过程和生物逼真度验证可参考文献12 。利用*INCLUDED命令将假人和座椅模型置于列车追尾碰撞有限元模型中。其中,座椅与列车通过*CONSTRAINED_EXTRA_NODES_SET进行联接，保证座椅与列车具有相同的运动速度；假人与车体地板、侧墙之间均采用AUTO-MATIC_SURFACE_TO_SURFACE接触算法，摩擦系数设为0.2 116 。最后，对假人与座椅的接触状态进投稿网站：http:/微微信公众号：应用力学学报第41卷第1期行预仿真，采用动态松弛方法消除假人与座椅间的间隙，得到了假人与列车一体化被动安全仿真分析于振浩，等：高速列车追尾碰撞时乘员头颈部损伤力学响应与风险评估有限元模型,如图1(d)所示。碰撞速度79STS2S3(a)四编组列车碰撞模型S4M1M2M3M4600mm(b)座椅模型Z(c)中国体征假人模型(d)列车-假人一体化仿真分析模型车辆行驶方向AFig.1Finite element model of train-dummy coupling passive safety simulation analysis表1我国50 th百分位男性假人有限元模型各体段缩放系数12 Tab.1Scaling coefficients of each body segment of Chinese50th percentile male dummy finite element mode12体段头颈和躯干上臂小臂大腿小腿考虑高速列车追尾碰撞场景，结合“甬温线”列车追尾碰撞事故的碰撞速度（9 9 km/h）与欧洲列车B被追尾车辆图1列车-假人一体化被动安全性仿真分析有限元模型缩放系数质量x方向尺寸方向尺寸2方向尺寸0.7410.9050.7690.8810.5050.7700.7240.9070.7810.9390.6370.833投稿网站：http:/C0.9050.9050.8810.9910.7700.8510.9070.8810.9390.8860.8330.919D()乘员座次分布耐撞性设计标准EN152272008，选取3 6、54、7 2、90、10 8 k m/h 5种碰撞速度研究两列相同类型高速列车在追尾碰撞中乘员的损伤情况。此外,为探讨列车追尾碰撞中不同座椅排次对乘员损伤的影响，分别在被追尾列车尾车S4的前（A）、中（B）、后（C)3个位置和追尾列车头车M1的前(D）、中(E）、后（F)3个位置安放假人模型,如图1(e)所示。2乘员损伤力学响应2.1运动响应姿态图2 给出了3 6 km/h的碰撞速度下追尾/被追微信公众号：应用力学学报E追尾车辆F80尾列车中乘员的典型的运动响应姿态。根据图2(a)可以看出，碰撞过程中追尾列车乘员的碰撞响应姿态可分为3 个阶段：惯性运动阶段、乘员头部与前排座椅碰撞阶段和反弹阶段。在第一阶段（大约在0 2 9 5ms 范围内）,发生碰撞前列车和乘员具有相同的运行速度，列车碰撞发生瞬间,列车车体由于受到碰撞阻力导致速度迅速减小，而车内乘员由于惯性效应会保持初始速度继续向前运动；随着列车碰撞的进行，车体座椅与乘员腿部/臀部发生摩擦，乘员躯干下半身在摩擦力的作用下开始减速，并导致乘员躯干上半身产生弯曲力矩，致使乘员头部前伸并最终与前排座椅发生碰撞接触，乘员响应姿态进入第二阶段。在第二阶段（大约在2 9 542 5 ms范围内）,乘员头部与前排座椅持续接触，乘员身体的大部分动能在这一阶段被耗散，乘员速度大幅降低。同时,前排座椅限制了乘员头部的位移并对头部产生1个弯曲力矩,致使乘员颈部向后弯曲；而躯干部分由于摩擦力不足以使身体停止运动，使得躯干在惯性作用下继续向前移动，直至膝盖撞击前排座椅。在这一阶段,乘员完全离开坐垫且整体重心向下移动，响应姿态由坐姿变为姿。随后，乘员头部与前排座椅逐渐脱离接触，乘员头部运动学响应进人第三阶段。乘员重心继续下移,形成蜷缩姿态；应用力学学报在后续反弹过程中，乘员背部会与后排座椅发生碰撞。由于乘员的动能在第二阶段被大量耗散,此时乘员的速度小于列车速度，乘员背部与后排座椅间出现的二次冲击导致头部向后发生偏转。根据图2(b)可以看出,被追尾列车中乘员的姿态响应与追尾列车相比明显不同，但同样可分为三个阶段：惯性运动阶段、乘员头部与后排座椅撞击阶段和乘员反弹阶段。在第一阶段（大约在0 2 7 0 ms范围内），当前方列车受到追尾碰撞时，由于追尾列车速度较大，受到撞击力后被追尾列车产生向前的加速度,被追尾列车中的乘员由于惯性作用向后方移动。在此阶段,乘员躯干相较于头部先与后排座椅发生接触，紧接着头部继续向后移动直到与后排座椅接触,乘员姿态响应进入第二阶段。在第二阶段（大约在2 7 0 2 9 0 ms范围内），在惯性作用下头部继续向后移动并与后排座椅继续接触。因为被追尾列车增加的动能通过座椅靠背传递给乘员，所以后排座椅靠背会对乘员躯干和头部产生向前的作用力，乘员头部运动方向会发生改变并与后排座椅头枕脱离接触,乘员姿态响应进入下一阶段。在第三阶段，乘员头部和躯干部分在碰撞反弹力以及车体碰撞加速度的耦合作用下继续向前运动，逐渐形成蜷缩姿态。第41卷惯性运动阶段oms乘员头部与前排座椅碰撞阶段295ms反弹阶段425ms(a)追尾列车900ms惯性运动阶段0msFig.2Motion response posture of the occupants2.2头部损伤生物力学响应在列车追尾碰撞中，追尾列车前部乘员的头部损伤风险最大（详见2.4节），因此选取追尾列车前部乘员的脑组织生物力学响应进行分析。图3 给出了乘员脑组织（大脑、小脑、脑干和脑室）典型的力乘员头部与后排座椅碰撞阶段270ms290ms(b)被追尾列车图2 乘员的运动响应姿态学响应时程曲线，包括颅内压力、Mises应力、剪切应力和主应变,图中不同背景颜色对应2.1节中乘员姿态响应的3 个阶段。可以看出，乘员脑组织各生物力学响应指标的最大值均出现在乘员姿态响应的第二阶段,这说明头部与前排座椅的碰撞是引起乘员脑组织损伤的主要原因。投稿网站：http：/c j a m.x j t u.e d u.c n 微信公众号：应用力学学报反弹阶段900ms第1期从图3（a）（d)可以看出,在乘员头部与前排座椅开始接触后,其脑组织颅内压力迅速升高,压力曲线出现剧烈震荡。脑室的压力在初始峰值后总体呈现下降趋势，而大脑、小脑和脑干部的压力出现了多个峰值,其中脑干区域在3 55ms时的峰值最大，达到了3 7 8.0 6 kPa。脑室区域的Von-Mises等效应力和剪切应力在碰撞过程中几乎没有变化，其应力450一大脑一小脑360F脑干脑室270180900-90086于振浩，等：高速列车追尾碰撞时乘员头颈部损伤力学响应与风险评估150300时间/ms(a)最大颅内压力81值始终保持较低水平，而大脑、小脑和脑干区域的上述应力时程曲线迅速上升并出现剧烈波动。其中，大脑区域的Von-Mises 等效应力和剪切应力曲线在360ms时达到最大值，其值分别为12.11kPa和6.96kPa。相似地，乘员大脑区域的最大主应变曲线也在3 6 0 ms时达到最大值0.7 2。16脑干12脑室84450600大脑小脑750900大脑小脑脑干脑室00.80.6150(b）最大Von-Mises等效应力300时间/ms450600750大脑小脑脑干脑室90040.420.20Fig.3Time history curve of biomechanical response of brain tissue of the front occupant of the rear end train图4给出了追尾列车前部乘员脑组织生物力学响应峰值时刻的分布云图。结合图2(a)和图4(a)可以看出,在3 55ms时乘员与前排座椅的接触区域主要为面部，这符合上述原发性脑干损伤的致伤条件17 。此时,乘员头部与前排座椅碰撞出现旋转运动,致使脑干与小脑幕发生相互碰撞,导致脑干与小脑连接区域的压力升高18 。因此在列车碰撞过程中,乘员的脑干损伤是不可忽视的,且颅内压力与车内乘员的原发性脑干损伤具有较大相关性。由图4（b）（d)可以发现,乘员脑组织的Von-Mises 等效150300时间/ms(c)最大剪切应力图3 追尾列车前部乘员脑组织的生物力学响应时程曲线.投稿网站：http:/微信公众号：应用力学学报4506007509000应力、剪切应力和最大主应变在最大峰值时刻的分布规律相似，三者在额叶和顶叶的大脑皮层下部区域、海马体区域以及肼眠体与枕叶连接区域的分布较为均匀,没有出现明显的应力集中现象。因此，上述区域的脑组织存在弥漫性脑损伤风险19 ,但是在枕叶底部区域出现了Von-Mises等效应力、剪切应力和最大主应变集中现象，说明乘员头部枕叶底部区域存在脑挫裂伤的风险,列车碰撞过程中乘员头部与前排座椅撞击产生的旋转和平移运动是导致弥漫性脑损伤和脑挫裂伤出现的主要原因2 0 150300时间/ms(d)最大主应变450600750900822.3颈部损伤生物力学响应在列车追尾碰撞中，追尾列车前部乘员的颈部损伤风险最大（详见2.4节），图5给出了追尾列车前部乘员颈部最大轴向力F与最大矢状面弯矩M,的时程曲线。21001400700-700F-1400F-210001055-10-15-200图5乘员颈部轴向力与矢状面弯矩时程曲线Fig.5 Time history curve of axial force of passenger neckand bending moment of sagittal surface应用力学学报(kPa)378.06318.34258.86198.91139.1979.4719.75-39.9699.68-159.40状面冠状面(a)颅内压力峰值时刻的分布云图(3 55ms)(kPa)6.966.195.424.663.893.122.361.590.820.00矢状面冠状面(c)剪切应力峰值时刻的分布云图(3 6 0 ms)图4脑组织生物力学响应的分布云图Fig.4 Distribution cloud of biomechanical response of brain tissue要包括拉伸-后弯曲和压缩-前弯曲两种2 1。颈部轴向力和弯矩时程曲线在0 3 0 0 ms 内变化不明显,颈部轴向力和弯矩较小；在3 0 0 50 0 ms和6 3 5 8 0 5ms范围内力/弯矩均为正值，乘员颈部主要承受拉伸载荷和前弯曲（屈曲）载荷作用;在50 0 6 3 5ms范围内力/弯矩为负值，乘员颈部主要承受压缩载荷和后弯曲（伸展）载荷作用。颈部最大拉伸力、压缩力、屈曲力矩和伸展力矩分别为9 8 2.8 5N、-1887.27 N、1.8 4 Nm和-13.7 8 Nm。图6 和图7 分别给出了乘员颈椎各部位（皮质骨、松质骨和椎间盘）的Von-Mises等效应力时程曲线与应力分布云图。从图6(a)可以看出,乘员各颈椎(C1C 7)皮质骨的Mises等效应力曲线在头部与150300时间/ms(a)轴向力150300时间/ms(b)矢状面弯矩投稿网站：http:/第41卷(kPa)12:1110.789.448.116.775.444.102.761.430.00矢状面冠状面(b)Von-Mises等效应力峰值时刻的分布云图(3 6 0 ms)0.720.640.560.480.400.32-0.240.160.090.00矢状面冠状面(d)最大主应变峰值时刻的分布云图(3 6 0 ms)可以看出,追尾列车中乘员颈部的损伤模式主450600450600(kPa)750900750900前排座椅发生碰撞时迅速升高并出现第一个峰值，其中C2枢椎的峰值最大（出现在2 9 5ms左右）,结合图7(a)可以发现此时皮质骨最大应力出现在C2枢椎锥体部位,增加了C2枢椎骨折的风险2 2 ,这主要是由于头部与座椅碰撞后头部向后旋转、颈部出现拉伸-后弯曲损伤模式所致。此后，颈部交替出现屈曲（前弯曲)和伸展(后弯曲)状态,导致颈部皮质骨的应力曲线不断波动，且C6颈椎的应力峰值最大，分别在57 0 ms和7 0 0 ms出现第2、第3 个峰值。结合图6(a)发现在57 0 ms 时刻,颈部表现为前弯曲状态,此时颈椎皮质骨的较大应力主要分布在C5C 7颈椎的椎体和棘突区域,其中最大应力(158.10 MPa)出现在 C6 椎体的棘突区域;在7 0 0 ms 时刻,颈部表现为后弯曲状态，此时颈椎皮质骨的较大应力主要集中在C5C7 颈椎的棘突区域,其中最大应力微信公众号：应用力学学报第1期(159.30MPa)也出现在C6 椎体的棘突区域。240-C1预椎0-C2颈椎1=2 9 5ms-C3颈椎-C4颈椎180.-C5颈椎-C6颈椎.-.-C7颈椎1206003.0r-C3颈椎2.5-C4颈椎-C5颈椎2.0-C6颈椎-C7颈椎1.51.00.5080r60-C2C3椎间盘-C3C4椎间盘-C4C5椎间盘40F.C5C6椎间.-C6C7椎间盘.-C7T1椎间盘200图6 乘员颈椎各部位的应力时程曲线.Fig.6 Stress time history curve of each part ofthe occupants cervical spine类似的,图6(b)中乘员颈椎松质骨的应力时程曲线也存在上述变化规律,其中C6颈椎松质骨的应力峰值最大，分别出现在3 40、57 5、7 0 0 ms左右。结合图7(b）可以看出：在3 40、7 0 0 ms时刻,乘员颈部呈现出后弯曲状态，此时松质骨的较大应力主要分布在 C4 C 7 颈椎的椎体和棘突区域,其中最大应力分别为2.3 2、2.3 1MPa,且均位于C6颈椎的棘突区域;在57 5ms时刻,乘员颈部呈现出前弯曲状态，于振浩，等：高速列车追尾碰撞时乘员头颈部损伤力学响应与风险评估t=570ms:t=700ms1150300时间/ms(a)皮质骨-C1颈椎C2颈椎1=340mst=575ms t=700ms150300时间/ms(b)松质骨-1=295 ms1=575 ms t=750ms1150300时间/ms(c)椎间盘投稿网站：http：/c j a m.x j t u.e d u.c n 微信公众号：应用力学学报83此时松质骨的较大应力主要集中在C4、C6 和C7的椎体区域,其中最大应力（2.2 0 MPa)出现在C6 的椎体区域。从图6(c）和7（c)可以看出：颈部各椎间盘的应力时程曲线分别在2 9 5、57 5和7 50 ms出现了峰值,其中在2 9 5ms和7 50 ms时刻，乘员颈部呈现出弯曲状态,椎间盘的较大应力主要分布在C2C3和C3C4椎间盘的后边缘，最大值分别为2 4.3 7 和15.31MPa;在57 5ms时刻,乘员颈部呈现出前弯曲450600450600450600750750111750900900900状态，所有椎间盘的前边缘均出现了较大应力分布，其中C6C7椎间盘前边缘应力最大（55.47 MPa）。上述说明,追尾列车中乘员颈部前弯曲和后弯曲耦合作用导致下颈部颈椎（C5C 7）出现了较大应力峰值,而乘员颈部前弯曲和后弯曲分别导致上颈部椎间盘（C2C3、C3 C4）和下颈部椎间盘（C4C5、C5C6 和C6C7)出现了较大应力峰值。2.4座椅排次的影响追尾/被追尾列车中乘员大脑左/右半脑（白质和灰质）、小脑（白质和灰质）、脑干（白质和灰质）和脑室（侧脑室和第三脑室）区域的生物力学响应峰值统计结果如图8 所示。可以看出：对于追尾列车，前部乘员的颅内压力、Von-Mises等效应力、剪切应力和最大主应变峰值分别为3 7 8.0 6、12.11、6.9 6 kPa和0.7 2,而后部乘员的头部损伤响应峰值相比于前部和中部乘员较小，上述响应峰值分别为2 6 9.7 6、8.96、5.17 k Pa 和0.6 0,相比于前部乘员分别下降了28.64%、2 6.0 1%、2 5.7 1%和16%；对于被追尾列车，乘员的生物力学响应峰值呈现出从前往后依次增大的规律。追尾/被追尾列车中乘员颈部生物力学响应峰值的统计结果图9 所示。可以看出，追尾列车中乘员颈椎皮质骨、松质骨和椎间盘的Mises等效应力沿座椅分布从前往后均呈现出依次减小的趋势，但颈椎的应力受座椅排次影响较小、椎间盘的应力受座椅排次影响较大。前部乘员颈椎皮质骨、松质骨和椎间盘的Mises等效应力峰值分别为2 0 6.3 0、2.32、55.47 M Pa,后部乘员相应的等效应力峰值分别为19 4.3 3、2.2 9、2 5.7 1MPa，相比于前部乘员分别下降了5.8 0%、1.2 9%、53.6 5%。与追尾列车相反，被追尾列车中乘员上述响应峰值沿座椅分布从前往后均呈现出依次增大的规律。84应用力学学报(MPa)(MPa)206.30158.10183.40140.70160.50CT123.20137.60105.80C2114.7091.7968.8946.0023.100(MPa)2.322.061.801.551.291.030.770.520.26(MPa)24.3721.6618.9616.2513.5410.838.125.422.710400300第41卷(MPa)C1C2C3C4C5C688.38C7C370.84C453.5136.0718.64C6C7t=295msC1C2C4C61=340 msC2C3C3C4C4C5C5C6C6C7C7T1-18.4912.336.160t=295 ms图7乘员颈椎各部位的应力分布云图Fig.7Nephogram of stress distribution in various parts of the occupants cervical spine追尾车辆159.30141.60123.90C6106.3088.63C770.9753.3135.6517.990t=570ms(a)皮质骨(MPa)C2C12.201.961.711.471.230.980.740.490.250(MPa)55.4749.3043.1436.98C2C3C3C430.8224.65被追尾车辆C4C50t=700 ms(MPa)C32.312.06C41.80C51.54C6C61.291.03C70.770.520.260t=575ms(b)松质骨C4C5C5C6C6C7C7T1t=575ms()椎间盘1510C3C2C1C4C3C2C5t=700ms(MPa)C2C315.31C3C413.61C4C511.9110.21C5C68.516.805.103.401.700追尾车辆C1C6C7C7T1t=750ms被追尾车辆20010000前部中部后部前部中部后部(a)颅内压力8追尾车辆6420前部中部后部前部中部后部()剪切应力图：座椅排次对乘员头部损伤生物力学响应的影响Fig.8Effect of seat rows on biomechanical response to head injury投稿网站：http:/前部中部后部前部中部后部(b)Von-Mises等效应力0.8被追尾车辆0.60.4：0.20前部中部后部前部中部后部(d)最大主应变微信公众号：应用力学学报追尾车辆：被追尾车辆V(s 8.)V(1)第1期250200150100500前部中部后部前部中部后部(a)皮质骨3.0追尾列车2.41.81.20.60前部中部后部前部中部后部(b)松质骨60追尾列车483624120前部中部后部前部中部后部(c)椎间盘图9座椅排次对乘员颈部损伤生物力学响应的影响Fig.9Effect of seat rows on biomechanicalresponse to neck injury上述说明，不论是追尾列车还是被追尾列车，座椅排次对车内乘员的头/颈部生物力学响应有显著影响，且位于列车碰撞端（追尾列车前部和被追尾列车后部)乘员的头/颈部损伤风险最高；追尾列车中乘员的头/颈部损伤风险相比于被追尾列车更高。3头头颈部的损伤评估与风险预测根据2.4节中不同座椅排次对乘员头部损伤响应的影响分析可知，追尾列车各车厢前部乘员头部损伤情况最严重。因此，选取追尾列车各车厢前部于振浩，等：高速列车追尾碰撞时乘员头颈部损伤力学响应与风险评估追尾列车被追尾列车被追尾列车被追尾列车投稿网站：http:/85乘员为研究对象，基于不同碰撞速度（36、5 0、7 2、90、108km/h）下、不同车厢（M1M4）内乘员的头/颈部生物力学响应结果对乘员头颈部损伤的进行了评估与风险预测。3.1头部BANDAK等2 2 利用颅脑有限元模型进行冲击载荷下乘员的头部损伤风险评估时，提出了基于脑组织变形进行脑部损伤评价的方法（cumulativestrain damage measure,CSDM)。CSD M 通常定义为脑组织应变超过某一阈值的区域占整个脑部体积的百分比，其计算公式为19CSDM=式中：8 为最大主应变；8.为最大主应变阅值,通常取0.1523;V为脑组织的体积。本研究将 CSDMo.15=36%定义为轻度颅脑损伤阈值、CSDM.15=55%定义为重度颅脑损伤阈值2 4。表2 不同碰撞工况下乘员头部的生物力学损伤参数Tab.2 Biomechanical injury parameters of occupant headunder different collision conditions颅内Mises车速/工况车厢压力/应力/应力/(km:h-1)kPa136236336436554654754854972107211721272139014901590169017108181081910820108微信公众号：应用力学学报剪切主应CSDMo.15/kPakPa变%M1378.0612.11M2263.24M3292.15M4190.0010.26M1383.2217.51M2391.3010.20M3320.00M4210.0512.63M1493.0826.60M2616.1225.38M3302.4912.92M4290.15M1502.1227.21M2620.71M3347.3212.49M4272.6514.63M1799.1829.75M2615.62M3667.2322.56M4662.096.960.7245.707.414.280.4118.589.825.640.7532.375.860.5919.4710.081.0269.945.910.6644.738.804.730.5233.947.260.6130.2515.171.7366.6514.651.5765.527.320.6955.1314.218.210.7049.7016.241.6357.7322.9513.251.3765.397.200.6055.828.440.7548.8417.131.8462.2222.5912.981.6366.8513.021.5161.9018.7910.851.0557.67861008060402001234图10 基于CSDMo.15的乘员头部脑组织生物力学损伤评估Fig.10Biomechanical damage assessment of occupanthead brain tissue based on CSDMo.15不同碰撞工况下乘员头部的颅内压力峰值、脑组织Mises等效应力、剪切应力、最大主应变峰值和CSDMo.1s的统计结果如表2 所示。图10 基于表2 中的CSDMo.1s结果对不同工况下乘员的头部脑组织生物力学损伤进行了评估。可以看出在36 km/h 碰撞下M2M4车厢、7 2 km/h碰撞下M3和M4车厢中的乘员头部出现了轻度颅脑损伤情况，在5 4km/h碰撞下M1车厢、7 2 km/h碰撞下M1M3车厢、90km/h碰撞下M1M3车厢、10 8 km/h碰撞下M1M4车厢内乘员头部均出现了重度颅脑损伤情况。在本文所研究的碰撞速度和车厢位置范围内，1.0r0.80.40.201.00.8F0.60.40.2F0应用力学学报乘员出现颅脑损伤的概率为7 5%，其中轻度脑损重度颅脑损伤阈值伤的概率为2 0%、重度颅脑损伤的概率为5 5%。利用二分类逻辑回归模型、基于表2 中的乘员头部颅内压力、脑组织Mises等效应力、剪切应力和轻度颅脑损伤阅值最大主应变峰值对乘员头部重度颅脑损伤进行了非5 6 7891011121314151617181920工况一重度颅脑损伤375,0.5)1P()1+623.215e-0/(203._0.05)150300颅内压力峰值/kPa(a)颅内压力峰值重度颅脑损伤(8.86,0.5)1P(x)1+1885.872e035(6.40,.0.05)36剪切应力峰值/kPa(c)剪切应力峰值图11乘员头部重度颅脑损伤风险预测曲线Fig.11Risk prediction curve of occupant severe craniocerebral injury投稿网站：http：/c j a m.x j t u.e d u.c n 微信公众号：应用力学学报第41卷线性回归建模和风险预测。逻辑回归模型为2 5 1P=P(y=1I x)1+Qe-A式中:为自变量;P代表事件发生的概率;和为待定参数。图11给出了乘员头部重度颅脑损伤风险与生物力学损伤参数之间的预测曲线。可以看出，乘员头部发生重度颅脑损伤的风险随着脑组织生物力学损伤响应的增加而增大。当乘员头部发生重度颅脑损伤的概率为5%、5 0%和95%时，所对应的脑组织内压力峰值分别为2 0 3、37 5、5 47 kPa，V o n-Mis e s等效应力峰值分别为8.6 9、14.8 2、2 0.94kPa，剪切应力峰值分别为5.40.8.8 6、12.32 kPa，最大主应变峰值分别为0.40.0.8 5、1.2 9。1.0(547,0.95)0.80.60.40.2F450600(12.32,0.95)912(2)(20.94,0.93)重度颅脑损伤(14.82,0.3)1P(x)1+1240.351e