Sekundäraufpralluntersuchungen mit einem Dummymodell im Metroführerstand

Abstract

Diese Arbeit befasst sich mit Sekundäraufpralluntersuchungen in einem modernen nach DIN EN 15227 ausgelegten Metroführerstand. Diese seit 2008 gültige Crashnorm stellt Anforderungen an die strukturelle Stabilität von Schienenfahrzeugen zur Sicherstellung des Überlebensraums für Fahrer und Passagiere. Dazu sind energieabsorbierende Strukturen an den Wagenenden vorgesehen, die im Kollisionsfall die Schäden in möglichst definierten Grenzen halten und zudem die auftretenden Verzögerungen beschränken, um die im Zuge von Sekundäraufprallen in der Fahrgastzelle entstehenden Personenschäden zu reduzieren. Europäische Forschungsprogramme und Gesetzesentwürfe beziehungsweise auch schon gültige nationale Normen haben nun dazu motiviert, die tatsächliche Beurteilung der Insassensicherheit in die Crashauslegung einfließen zu lassen. Primäres Ziel der Arbeit war es daher, im Rahmen von biomechanischen Untersuchungen mit numerischen Dummymodellen eine Ist-Zustands-Analyse durchzuführen. Dazu wurde mittels der Methode der Finiten Elemente der Führerstand des Inspiro Warschau der Firma Siemens Mobility näher untersucht. Der erste Teil der Arbeit gibt einen Überblick über die für Schienenfahrzeuge geltenden Richtlinien und bietet einen Ausblick auf künftige Anforderungen. Darüber hinaus werden die Vor- und Nachteile unterschiedlicher Dummymodelle erörtert und relevante Verletzungskriterien beschrieben. Nach Erklärungen zu dem Modellaufbau und den Auswerteverfahren, werden im zweiten Teil der Arbeit die Einflüsse der unterschiedlichen Dummymodelle sowie der einzelnen Parameter, wie Reibungskoeffizienten und Materialeigenschaften berechnet und ausgewertet. In weiterer Folge werden die Ergebnisse der Untersuchungen angeführt. Die Auswertung erfolgte bezüglich der in der UNIFE REF 001 angegebenen Grenzwerte. Dabei handelt es sich um einen Ende 2014 veröffentlichten technischen Bericht der sich mit der passiven Sicherheit von Innenräumen von Schienenfahrzeugen beschäftigt und voraussichtlich in naher Zukunft den Status einer -UIC Technical Recommendation- erhalten wird. Die Auswertung konnte belegen, dass für eine Verzögerung, wie sie aus dem Auslegungskollisionsszenario der DIN EN 15227 resultierte, mit keinen schweren Verletzungen zu rechnen ist. In weiteren Simulationen wurde die Verzögerung auf den im Anhang der UNIFE REF 001 definierten Verlauf angehoben und über 100 ms mit 5 g verzögert. Dabei konnte für die unteren Extremitäten eine erhöhte Verletzungswahrscheinlichkeit festgestellt werden. Abschließend werden einige weitere Untersuchungen mit variierten Sitzpositionen und Materialparametern besprochen und Ausblicke auf mögliche weiterführende Forschungsarbeiten gegeben. Diese Arbeit bietet einen guten Einblick in den aktuellen Stand des zukunftsträchtigen Themas der Insassensicherheit bei Schienenfahrzeugen.

This thesis deals with the investigations of second collisions within an operator's compartment of a modern metro car designed in accordance to DIN EN 15227. This standard primarily addresses the structural stability, controlled energy absorption and preservation of survival space, respectively. Therefore energy absorption devices at the coaches' ends shall keep the damage within certain limits and moreover reduce the acceleration levels to mitigate even injuries caused by second collisions. The integration of the actual assessment of the passenger safety in the crash analysis has been triggered by European research programmes and legal drafts as well as by existing national standards. Therefore the primary goal of this thesis was the analysis of the current situation by means of biomechanical studies with numeric dummy models. In this context the operator's compartment of the Siemens Mobility Inspiro Warsaw has been closely examined using finite element methods. The first part of the thesis presents a survey of rail vehicle related regulations and gives a prospect for future demands. Moreover, the pros and cons of various dummy models as well as the relevant injury criteria are discussed. After explaining the structure of the simulation model and the applied analytical techniques the second part of the thesis focuses on the influences of the different dummy models as well as the individual parameters such as friction coefficients and different material properties. Subsequently the research results are being referred to. The analysis was carried out in accordance with the UNIFE REF 001 listed limits, which is a technical report released towards the end of the year 2014 dealing with the interior passive safety in railway vehicles. This report will most probably gain the status of a UIC Technical Recommendation in the near future. The evaluation of the research results proved that no severe injuries could be expected as for a deceleration caused by the applied DIN EN 15227 collision scenario. In some further simulations the deceleration has been increased to 5 g held for 100 ms according to the process defined in the annex of the UNIFE REF 001. In this context an increased probability for injury of the lower extremities has been assessed. Finally, some further parameter variations such as material properties or sitting positions, respectively, are presented and a conclusion is given. All in all, this thesis offers some good insights into the latest developments of the research as far as the topical question of interior passive safety in railway vehicles is concerned.