Parameter study on pedestrian impacts onto a light rail vehicle

Abstract

Aufgrund der zunehmenden Bevölkerungsdichte in Städten und des damit wachsenden Straßenbahnnetzes werden Fußgängerunfälle mit Straßenbahnen immer wichtiger. Fußgänger werden im Allgemeinen bei Verkehrsunfällen mit größerer Wahrscheinlichkeit schwer verletzt oder sogar getötet. Der Hauptgrund liegt darin, dass Fußgänger meist keinen zusätzlichen Schutz haben und daher direkt dem betroffenen Fahrzeug ausgesetzt sind. Die Verbesserung der passiven Sicherheit von Fußgängern erfordert in mehreren Bereichen große Anstrengungen: Fahrzeugdesign, Straßendesign und Gesetzgebung. Die zunehmende Kenntnis der biomechanischen Eigenschaften des menschlichen Körpers ist ein vorrangiger Faktor für den Entwicklungsprozess von Sicherheitseinrichtungen. In Kombinationmit hoher Rechenleistung ist es heutzutage möglich, viele verschiedene Aufprallszenarien menschlicher Körpermodelle bei Verkehrsunfällen mit hoher Genauigkeit zu simulieren. Vor der Simulation des gewünschten Aufprallszenarios werden diese menschlichen Körpermodelle in vereinfachten experimentellen Studien getestet und kalibriert. Es ist wichtig, die beteiligten Teile des Fahrzeugs in separaten empirischen Studien zu kalibrieren, um Ungenauigkeiten zu reduzieren. Der Vorteil numerischer Simulationen neben den viel geringeren Kosten liegt hauptsächlich im breiten Feld der Optionen, wie verschiedene Ansätze analysiert und bewertet werden können. Zusätzlich zur Messung der Aufprallkräfte und Beschleunigungswerte verschiedener Teile des menschlichen Körpers ist es leicht möglich, Dehnungen oder Spannungen verschiedener Knochen und Weichteile zu erfassen. Daher ist ein viel genauerer Blick auf die Schwere und die Art der Verletzungen möglich. Die vorliegende Arbeit ist in einen theoretischen und einen praktischen Teil aufgeteilt. Im theoretischen Teil werden die notwendigen Grundlagen vermittelt. Der Fokus liegt hierbei am Kopf und Nacken, da diese zwei Körperregionen oft schwere Verletzungen bei Unfällen mit Straßenbahnen nach sich ziehen. Desweiteren werden die in der Arbeit verwendeten Mensch Modelle vorgestellt und die wichtigsten Festlegungen aus dem technischen Bericht CEN/TR 17420 geschildert. Der praktische Teil widmet sich dem Aufbau und der Durchführung der Simulationen von unterschiedlichen Aufprallszenarien. Im Anschluss daran werden die Simulationsergebnisse präsentiert und diese auch in weiterer Folge interpretiert. Die passive Sicherheit von Straßenbahnen kann durch Anpassen der Geometrie und Steifigkeit der Straßenbahnfront erheblich verbessert werden. Im Optimierungsprozess sollten dabei Männer, Frauen und Kinder aufgrund ihrer jeweils unterschiedlichen Höhe des Schwerpunkts und der unterschiedlichen Belastbarkeit verschiedener Körperregionen berücksichtigt werden. Die passive Sicherheit von Straßenbahnen kann durch den Einsatz numerischer Simulationen von Mensch Modellen erhöht werden.

Due to an increasing population density in cities and therefore growing tram networks, pedestrian incidents with light rail vehicles are getting more important. Pedestrians in general are more likely to sustain serious injuries or even get killed during road accidents. In contrast to car occupants pedestrians lack additional protection and therefore are directly exposed to the impact with the vehicle involved. Improving passive safety of pedestrians needs much effort in several fields, as follows: vehicle design, road design and legislation. Increasing knowledge of biomechanical properties of the human body has become a major factor in the development process of safety features. In combination with growing computing power, nowadays it is possible to simulate many different impact scenarios of human body models in road accidents with high accuracy. Prior to the simulation of a particular impact scenario of interest, these human body models are tested and calibrated to defined and well known test cases. It is important to calibrate the relevant vehicle as well in separate empirical studies to increase predictability. The benefit of numerical simulations besides of the much lower costs is mainly the broad field of options, of how to analyze and evaluate different approaches. In addition to just measure impact forces and acceleration values of different parts of the human body, it is easily feasible to obtain also stresses or strains of different bones and soft tissues. Therefore detailed insights into severity and type of injuries are possible. This work is divided into a theoretical part which introduces the reader to the necessary theoretical background and a more practical part, basically consisting of the actual pedestrian impact scenario simulations. Chapter 2 - State of the art gives an overview of the biomechanical and medical basics, respectively, and the physical limits of the human body related to a pedestrian hit by a tram. The focus lies on the human head and neck, respectively, because these two body regions are easily injured in such accidents. There is also some background information about the projects which created the different human body models used in this work and the technical report CEN/TR 17420 which is rated as the starting point of this work. In Chapter 3 - Methodology the simulation model is described. Further the assembly of the whole impact scenario as well as the simulation setup is outlined. The simulation results are discussed in Chapter 4 - Results. Passive safety of light rail vehicles can be dramatically improved by adjusting geometry and stiffness properties of the front end vehicle design, just the vehicle mass can’t be identified as reasonable parameter. This thesis also shows, that the application of different sized males, females and children is necessary because of the influence of their different average geometric and mass properties. Virtual testing by applying human body models to numerical simulations will definitely be helpful in the design process to achieve evensafer trams in the future.