Abstract - IRCOBI · ut on the s itudinal sea the shape ench‐end pa h‐end part id that a str r...

12
Abstract In railway collisions, passengers are thrown from their seats and translate long distances because they are not restrained by a seatbelt. This creates the possibility of serious injury caused by collision with interior components at high velocity. It is important, therefore that passengers’ behaviours are estimated. This study focuses on a passenger seated on longitudinal seating away from a benchend partition. They translated and then pitched over with its head leading any other physical part. Sled tests for imitating a situation where a passenger collides with the benchend partition were conducted. Then, numerical simulations for reproducing the sled tests were performed with MADYMO. The dummy’s behaviours of the numerical simulations, which are collision position and collision velocity, were almost equivalent to those of the sled tests. On the other hand, the head accelerations of the simulations were different from those of the sled tests greatly. Thus the joints of the dummy model’s neck were improved. The head accelerations of the simulations after the improvement almost corresponded with those of the sled tests. Keywords behaviour analysis, longitudinal seating, multibody dynamics, seated passenger, railway collision. I. INTRODUCTION It is important that severe injuries are prevented when a railway collision happened. Since the railway passengers do not have a seat belt, they are thrown from their seat by the acceleration of collision and collide with interior components. The collision between the vehicle and external objects is called “primary impact” [1] and the collision between passengers and interior components is called “secondary impact” [2]. This study focuses on the secondary impact. There has been a great discussion about the secondary impact on a railway vehicle. Severson (2000) conducted a fullscale collision test and numerical simulations to evaluate occupant protection strategies [3]. Wang (2011) analysed secondary collision injuries to occupants and influence factors of railway vehicle interior impact injuries using the software MADYMO [4]. Li (2007) carried out numerical simulations using the software PAM/CRASH [5]. Hecht (2005) conducted experiments and numerical simulations to improve the crashworthiness of tramcars and light rail vehicle [6]. Some studies have shown the head injury value as a function of secondary impact velocity. Tyrell (1998) analysed secondary impact against a seat back with MADYMO [7]. Simons (1999) researched the survivability for a general highspeed train system when a passenger strikes a forward seat back [8]. Xie (2013) investigated the secondary impact of a passenger faced with a table in a compartment [9]. In bus crashes, McCray (2001) simulated frontal rigid barrier test [10]. Elias (2001) evaluated potential of safety restraints on large school buses and indicated that seat spacing could affect dummy kinematics and responses [11]. Elias (2003) discussed relative performance of compartmentalization, lap belt restraints and lap/shoulder belt restraints, as well as the effects of seat back height and seat spacing on the performance of these safety restraint strategies [12]. Mitsuishi (2001) focused on passenger protection in frontal collisions and showed the limitations of lap belts in preventing head impacts and the potential of reducing passenger injuries by optimizing seat spacing [13]. In this way, although there has been extensive study of train and bus crashes, they focus on transverse seating layout. In the United Kingdom, the standard for safety assessment of transverse seating passengers exists [14], in which methods for sled tests using a dummy has been prescribed. On the other hand, there is no standard for longitudinal seating passengers. The longitudinal seating is typical as a commuter vehicle in Japan and can been seen in a European subway. Safety assessment in such a layout is also important. D. Suzuki (tel: +81425737348; email: [email protected]), K. Nakai, S. Enami, T. Okino and J. Takano are researchers at the Railway Technical Research Institute in Japan. R. Palacin is a senior researcher at Railway Systems Group of NewRail at Newcastle University, UK. Proposal of Simulation Method for Behaviour Analysis of Passengers on Longitudinal Seating in Railway Collision Daisuke Suzuki, Kazuma Nakai, Shota Enami, Tomohiro Okino, Junichi Takano, Roberto Palacin IRC-15-44 IRCOBI Conference 2015 - 327 -

Transcript of Abstract - IRCOBI · ut on the s itudinal sea the shape ench‐end pa h‐end part id that a str r...

Page 1: Abstract - IRCOBI · ut on the s itudinal sea the shape ench‐end pa h‐end part id that a str r depends o e case of us ion (Figure 4 se passenge n the vehic se paramete is possible

Abstract   In railway collisions, passengers are thrown from their seats and translate long distances because 

they  are  not  restrained  by  a  seatbelt.  This  creates  the  possibility  of  serious  injury  caused  by  collision with 

interior components at high velocity. It is important, therefore that passengers’ behaviours are estimated. This 

study focuses on a passenger seated on longitudinal seating away from a bench‐end partition. They translated 

and then pitched over with its head leading any other physical part. Sled tests for imitating a situation where a 

passenger collides with the bench‐end partition were conducted. Then, numerical simulations for reproducing 

the sled tests were performed with MADYMO. The dummy’s behaviours of the numerical simulations, which are 

collision position and collision velocity, were almost equivalent to those of the sled tests. On the other hand, 

the head accelerations of the simulations were different from those of the sled tests greatly. Thus the joints of 

the dummy model’s neck were  improved. The head accelerations of  the  simulations after  the  improvement 

almost corresponded with those of the sled tests.  

 Keywords  behaviour  analysis, longitudinal seating, multi‐body dynamics, seated passenger,  railway collision.   

I. INTRODUCTION 

It  is  important  that  severe  injuries  are prevented when  a  railway  collision happened.  Since  the  railway 

passengers do not have a seat belt, they are thrown from their seat by the acceleration of collision and collide 

with interior components. The collision between the vehicle and external objects is called “primary impact” [1] 

and  the  collision  between  passengers  and  interior  components  is  called  “secondary  impact”  [2].  This  study 

focuses on the secondary impact.  

There  has  been  a  great  discussion  about  the  secondary  impact  on  a  railway  vehicle.  Severson  (2000) 

conducted a  full‐scale collision  test and numerical simulations  to evaluate occupant protection strategies  [3]. 

Wang (2011) analysed secondary collision injuries to occupants and influence factors of railway vehicle interior 

impact injuries using the software MADYMO [4]. Li (2007) carried out numerical simulations using the software 

PAM/CRASH  [5].  Hecht  (2005)  conducted  experiments  and  numerical  simulations  to  improve  the 

crashworthiness  of  tramcars  and  light  rail  vehicle  [6].  Some  studies  have  shown  the  head  injury  value  as  a 

function  of  secondary  impact  velocity.  Tyrell  (1998)  analysed  secondary  impact  against  a  seat  back  with 

MADYMO  [7].  Simons  (1999)  researched  the  survivability  for  a  general  high‐speed  train  system  when  a 

passenger strikes a  forward seat back  [8]. Xie  (2013)  investigated  the secondary  impact of a passenger  faced 

with a table in a compartment [9]. In bus crashes, McCray (2001) simulated frontal rigid barrier test [10]. Elias 

(2001) evaluated potential of safety restraints on large school buses and indicated that seat spacing could affect 

dummy kinematics and  responses  [11]. Elias  (2003) discussed  relative performance of  compartmentalization, 

lap belt restraints and lap/shoulder belt restraints, as well as the effects of seat back height and seat spacing on 

the performance of these safety restraint strategies [12]. Mitsuishi (2001) focused on passenger protection  in 

frontal  collisions  and  showed  the  limitations  of  lap  belts  in  preventing  head  impacts  and  the  potential  of 

reducing  passenger  injuries  by  optimizing  seat  spacing  [13].  In  this way,  although  there  has  been  extensive 

study of train and bus crashes, they focus on transverse seating layout. In the United Kingdom, the standard for 

safety assessment of transverse seating passengers exists [14], in which methods for sled tests using a dummy 

has  been  prescribed.  On  the  other  hand,  there  is  no  standard  for  longitudinal  seating  passengers.  The 

longitudinal seating is typical as a commuter vehicle in Japan and can been seen in a European subway. Safety 

assessment in such a layout is also important.  

D. Suzuki (tel: +81‐42‐573‐7348; e‐mail: [email protected]), K. Nakai, S. Enami, T. Okino and J. Takano are researchers at the Railway  Technical  Research  Institute  in  Japan.  R.  Palacin  is  a  senior  researcher  at  Railway  Systems Group  of NewRail  at Newcastle University, UK. 

Proposal of Simulation Method for Behaviour  Analysis of Passengers on Longitudinal Seating in Railway Collision  

Daisuke Suzuki, Kazuma Nakai, Shota Enami, Tomohiro Okino, Junichi Takano, Roberto Palacin 

IRC-15-44 IRCOBI Conference 2015

- 327 -

Page 2: Abstract - IRCOBI · ut on the s itudinal sea the shape ench‐end pa h‐end part id that a str r depends o e case of us ion (Figure 4 se passenge n the vehic se paramete is possible

ar

ac

fo

id

Th

Th

 

pe

 

M

Slusevinwse 

Fi

 

Fi

 

pl

ut

be

co

ve

The seco

re  thrown  f

cceleration a

or  considerin

dentify  the  v

herefore the

he error rate

Sled  test

erformed.   

Methods of th

ed tests wersed  in  the  svent of headnterior consiswas used  for eating (figure

g. 1. ES‐2 du

g. 3. Longitu

Existing i

late  (Height

tilised  in  act

ench‐end  pa

ollision posit

ehicle partiti

ondary  impac

from  their  s

and initial po

ng  safety m

vehicle  acce

e purpose in 

e of the seco

ts  using  a  d

he Sled Test 

re conductedled  tests bed‐on collisionsts of a floorcommuter ve 3).  

ummy.  

udinal seating

nterior equip

:  1500 mm,

tual  railway 

artition  influ

tion. Differen

on because 

ct velocity  is

seat  by  the

osition of the

easures.  If  a

leration  for 

this study is 

ndary impac

ummy were

d to reproduecause  the mn. Figure 1 sr, a longitudvehicles  in  J

g.  

pments, such

 width:  100

vehicles.  A

uences  the  s

nce of collisio

the existing 

s  important 

  acceleratio

e passengers

a  simulation

suppressing

to propose t

ct velocity by

I

e  conducted 

uce the secomovement oshows the ESinal seating apan. A  feat

 

h as divider o

00 mm, mat

  reason  of 

everity  of  th

on position a

vehicle parti

for safety as

on.  The  seco

. It is necess

n  is  able  to 

g  the  second

the simulatio

y the proposa

I. METHOD

and  numer

ndary impacf a passengeS‐2 dummy. and a benchture of  the 

Fig. 2. 

or partition, 

erial:  SS400

choosing  th

he  injury.  T

affects the se

ition has har

ssessment  in

ondary  impa

ary to condu

predict  pas

dary  impact 

on method t

al simulation

DS 

rical  simulat

ct of a passeer on  longitFigure 2 shoh‐end partitilongitudinal

Layout on th

were not us

) was  used 

e  steel  plat

he  severity

everity of the

rd position a

n railway col

act  velocity 

uct case stud

sengers’  be

velocity wit

o estimate t

n method wa

ions  reprodu

nger. A side udinal  seatinows the  layoon. The longseating was

he sled.  

ed for the be

as  the  benc

e  is  to  avoi

of  the  injury

e injury in th

nd soft posit

llision becau

depends  o

dies with the

haviours,  it 

thin  an  upp

the passenge

as 3%.  

ucing  the  sl

impact dumng  is mainlyout on the sgitudinal seas  the  shape 

ench‐end pa

ch‐end  part

id  that  a  str

ry  depends  o

he case of us

tion (Figure 4

use passenge

on  the  vehic

ese paramete

is  possible 

er  limit  valu

ers’ behaviou

ed  tests we

mmy (ES‐2) wy  lateral  in  tsled. The moating was whof  the buck

artition. A ste

ition, which 

ructure  of  t

on  stiffness 

sing an existi

4).  

ers 

cle 

ers 

to 

ue. 

urs. 

ere 

was he ock hat ket 

eel 

is 

he 

of 

ng 

IRC-15-44 IRCOBI Conference 2015

- 328 -

Page 3: Abstract - IRCOBI · ut on the s itudinal sea the shape ench‐end pa h‐end part id that a str r depends o e case of us ion (Figure 4 se passenge n the vehic se paramete is possible

pa

pa

th

se

sh

re

ca

st

w

 

Fi

 

Fi

 

Fi

 

Compone

assenger  ca

assenger’s h

he stiffness a

et at 5.0 m/s

hows  the da

epresents  fo

alculated  us

tiffness  in th

wall and the w

g. 4. Existing

g. 5. Appear

(a) Partitio

Stiffne

g. 6. Results

0

2

4

6

8

10

0

Force (kN)

Result 

ent  experim

n  collide  w

ead, collided

at two positi

sec which wa

ata measured

orce.  The  de

ing  accelera

is study. The

window was 

(a) Inte

g component

rance of the 

on wall (Soft 

ess: 350 N/m

 of the comp

5 10 15

Stroke (mm)

measured

ments  using 

with,  were  c

d with them

ons, which w

as approxima

d and  the  st

eflection was

ation  measu

e stiffness o

350 N/mm, 

rior fitting.  

t in the train

partition wa

 position).    

mm                  

ponent expe

20 25

Stiffness defined

a  partition 

conducted  in

 (Figure 5). S

were hard po

ately the sam

tiffness defin

s measured 

ured  by  acce

f the soft po

1100 N/mm

 

 vehicle.  

ll experimen

     (b) Partitio

          Stiffne

riments.  

0

2

4

6

8

10

0

Force (kN)

Result 

wall  and  a

n  order  to 

Since the sti

osition and s

me as second

ned. Horizon

with  displa

elerometer

osition of th

 and 2300 N

nt.  

on wall (Hard

ess: 1100 N/m

5 10 15

Stroke (mm)

measured

  window,  w

measure  th

ffness of the

soft position

dary impact v

ntal axis  rep

acement  gau

in  the  impa

e partition w

/mm, respec

(b) B

d position).  

mm                

20 25

Stiffness defined

which  are  in

heir  stiffness

e partition w

n, were meas

velocity of th

resents  repl

uge  using m

actor.  The  s

wall, the har

ctively.  

Back side of 

                       

                Stif

0

2

4

6

8

10

0

Force (kN)

Result 

nteriors  a  h

s.  An  impac

wall varies at

sured. Impac

he dummy’s 

lacement an

magnescale.  T

slope  was  d

rd position o

partition wa

     (c)Windo

ffness: 2300 

5 10 15

Stroke (mm)

measured

ead  of  sitti

ctor,  imitati

t the position

ct velocity w

head. Figure

nd vertical ax

The  force w

defined  as  t

of the partitio

ll.  

ow. 

N/mm 

20 25

Stiffness defined

ng 

ng 

ns, 

was 

e 6 

xis 

was 

he 

on 

IRC-15-44 IRCOBI Conference 2015

- 329 -

Page 4: Abstract - IRCOBI · ut on the s itudinal sea the shape ench‐end pa h‐end part id that a str r depends o e case of us ion (Figure 4 se passenge n the vehic se paramete is possible

sh

he

m

be

4.

al

va

 

Fi

 

Fi

 

thwthreth

secoofhebecasldiinm

The same

hows the ap

eld by a dev

mm  from  the

etween strok

.5 mm was 2

most covere

alid to imitat

(a) C

g. 7. Appear

g. 8. Compa

A corridohe RGS [14]. was difficult the  sled was eference to 7he dummy in

Dummy’secondary  imollision positf  leaning of ead was meaefore the veauses the raed  test withifferent fromnjuries arisingmethod is the

e experimen

pearance of

vice. The  imp

e  short  side. 

ke (mm) and

2250 N/mm,

ed a range of

te the stiffne

Condition of 

rance of the 

rison of the 

or of the accAn accelerao reproducewithin  the c7.0 G pulse nitially transls  behaviour pact  velocittion from thethe dummyasured usingelocity of dupid decelerah  ES‐2  dummm ES‐2 in strug from the lae same as the

nts were con

f the steel p

pactor collid

Impact velo

d force (N). T

, respectivel

f the stiffnes

ess of existing

holding a pa

steel plate c

stiffness. 

celeration totion impulsee the plateaucorridor  (Fig(Figure 10). ated, then pand  head y of  the due floor is imp. The degreeg a high‐speemmy’s headation of dummy  on  the  lucture. The hateral impace head injury

Partition w

Partition w

ducted by us

late compon

ed with the 

ocity was  se

The stiffness 

y. Figure 8 s

ss of the inte

g interior co

 artition 

omponent e

o evaluate cre of 7.0 G wau part of the ure 9). An aFigure 11 shitched over winjury  weremmy’s headportant to eve of  leaning ed camera wd decreased mmy’s head. longitudinalhead performct, which is uy criterion (H

wall (Soft positi

SS400 (1.6m

wall (Hard positi

SS400 (3.2m

SS400 (4.5m

Wind

sing SS400 (T

nent experim

bench‐end 

et at 5.0 m/s

value of 1.6

shows the c

eriors. It is fo

mponents. 

experiment. 

rashworthineas made in rcorridor in tacceleration hows the  initwith its heade  evaluated.d  (SIVH) wervaluate the dof  the dumhose frame suddenly waAs for head seating.  Th

mance criterused in the fHIC) calculati

350

400

0 1

on)

mm)

on)

mm)

mm)

dow

St

Thickness: 1

ments. Four s

partition at 

s. The  stiffne

mm was 40

omparison o

ound that SS4

(b) I

ess of transveference to the performaimpulse of tial position d leading any.  The  collisire used  to  edummy’s behmmy  influencrate was 100as defined ainjury indexe  dummy  uion (HPC) is field of automon method i

0

0

1100

1200

1000 2000

tiffness (N/mm

.6 mm, 3.2 m

sides of the 

200 mm fro

ess value wa

0 N/mm, 3.2

of the stiffne

400 of 1.6mm

mpactor coll

 

verse seatingan upper limance of the t6.0 G, 5.0 Gof the dumy other physon  position evaluate  the haviour becaes  the SIVH00 frame pers SIVH becaxes, there aresed  in  the  Rused to indicmobile crashn the RGS.  

2250

2300

0 3000

m)

Interior

SS400

mm and 4.5 

bench‐end 

om the  long 

as defined b

2 mm was 12

ess. The stiff

m, 3.2mm an

liding positio

g passenger mit value of ttest device. TG and 4.0 G my. It  is a hical part.    from  the  dummy’s buse it indica. The velocitr second. Veause  the secoe no requireRGS  is  Hybrcate the likeh test. The H

mm).  Figure

partition we

side and 10

by  the  relatio

200 N/mm a

fness of SS4

nd 4.5mm w

on 

is provided the corridor.The velocitywere made ypothesis th

floor  and  tbehaviour.  Ttes the degrty of dummylocity data juondary  impaements for trid  III which lihood of heHPC calculatio

e 7 

ere 

00 

on 

nd 

00 

was 

in . It of in 

hat 

he he ee y’s ust act he is ad on 

IRC-15-44 IRCOBI Conference 2015

- 330 -

Page 5: Abstract - IRCOBI · ut on the s itudinal sea the shape ench‐end pa h‐end part id that a str r depends o e case of us ion (Figure 4 se passenge n the vehic se paramete is possible

 

Fi

 

Fi

 

Fi

 

M

N

7.

(V

la

be

an

ex

g. 9. Compa

g. 10. Test c

g. 11. Initial 

Methods of th

umerical  sim

.4.2). MADY

Version 3.1) 

yout of  the 

ench‐end pa

nd  the  floor 

xperiments w

Although

0

20

40

60

80

0

Acceleration [m

/s2]

(a) Relation 

rison betwee

onditions of 

position of t

he Numerica

mulations un

YMO  is  used

was used as

interior  com

artition mod

 were mode

were substitu

h the longitu

0.1

Ti

of accelerat

en pulse 7G 

acceleration

the dummy. 

al Simulation

nder  the  sam

 widely  in  t

s the passen

mponent mo

el. The  long

elled with a 

uted for con

dinal seating

0.2

ime [sec]

Acceleration

 [m/s

2]

tion  

and RGS cor

n pulse.  

 

me  condition

the  field  of 

nger. Figure 

odel which  c

itudinal seat

plane. They

tact characte

g used in the

0.3

Upper lim

Lower lim

7.0G

0

20

40

60

80

0

[/

]

rridor.  

ns of  the  sle

the  automo

12 shows  th

consists of a

ting was mo

y were  rigid 

eristics of th

e sled test w

3

mit

mit

Vl

i[

/]

0.1Time [sec]

(

ed  tests wer

obile  crash  s

he ES‐2  facet

a  floor mode

odelled with

bodies. The 

e bench‐end

was bucket se

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0

Velocity [m

/s]

0.2 0]

7.0G

6.0G

5.0G

4.0G

(b) Relation o

re performed

simulation. 

t dummy mo

el, a  longitud

an ellipsoid

results of  t

d partition m

eat shown in

0.1

Time

Upper lim

Lower lim

7.0G

0.3

G

G

G

G

of velocity 

 

d with MAD

ES‐2  facet  d

odel. Figure

dinal  seating

d. The bench

the  steel pla

model.  

n figure 3, it 

0.2

e [sec]

mit

mit

DYMO  (Versi

dummy mod

13 shows t

g model and

h‐end partiti

te compone

was modell

0.3

on 

del 

he 

d a 

on 

ent 

ed 

IRC-15-44 IRCOBI Conference 2015

- 331 -

Page 6: Abstract - IRCOBI · ut on the s itudinal sea the shape ench‐end pa h‐end part id that a str r depends o e case of us ion (Figure 4 se passenge n the vehic se paramete is possible

w

du

 

Fi

 

nu

 

Re

Th

of

ac

ob

po

m

10

hi

co

w

he

th

 

Fi

 

with ellipsoid 

ummy’s beh

g. 12. ES‐2 fa

Comparin

umerical sim

esults of the

he actual acc

f  the  sled  a

cceleration a

bserved.  

Figure 15

osition (0.00

measurement

020mm in th

igher the co

ondition of t

Figure 17

was determin

ead. Figure 1

he larger the

g. 14. Time h

because of 

aviour, the i

acet dummy

ng  the  resu

mulations wa

e Sled Test 

celeration of

cceleration 

almost corres

5 shows the 

00 sec), and 

t  procedure 

he case. Tab

llision positio

he same acc

7 shows an e

ned as show

18 shows re

 HPC.  In the

history of the

difficulty of 

nfluence wa

 

y model.  

lts  of  the  n

s inspected. 

f the sled wa

(Acceleratio

sponded wit

dummy’s be

the right sid

of  the  colli

le 1 shows t

ons. The dum

eleration pu

example of t

n  in figure 1

lation betwe

e case of the 

e target acce

Acc

eler

atio

n [m

/s2]

modelling su

s simulated 

umerical  sim

 

as compared

n  pulse:  5.0

th the target

ehaviour in t

de (b) was th

ision  positio

he results of

mmy pitched

lse, the colli

the velocity 

18, since sec

een SIVH and

almost same

eleration and

-20

0

20

40

60

80

0 0

[]

uch a shape.

by varying th

Fig. 13.

III. RESULTS

mulations w

 with the tar

0G,  Thicknes

t acceleration

the sled test

he time of se

on  from  the 

f the collisio

d over large

sion position

change of t

condary  impa

d HPC. In the

e SIVH, the t

d the sled ac

0.1 0.2

Time [sec

Tar

Sle

. Since the sh

he friction co

 Layout of th

with  those  of

rget accelera

ss:  3.2mm)  a

n.  In the oth

t in the sam

econdary  im

floor.  The 

n position. T

ly in the cas

ns were almo

he dummy’s

act causes a

e case of the

hicker the th

celeration. 

0.3 0

c]

rget acceleratio

ed acceleration

hape of the 

oefficient fro

he interior co

f  the  sled  te

ation. Figure 

and  the  targ

her condition

e case. The 

mpact (0.214 

collision  pos

The higher th

e of the low

ost the same

s head over t

 sudden dec

e same thick

hickness, the

.4

n

bucket seat 

om 0.3 to 1.0

omponent m

ests,  the  pr

14 shows th

get  accelera

ns, similar te

left side (a) 

sec). Figure

sition  from 

he accelerati

w acceleratio

e.  

time during 

celeration of

kness, the hi

e larger the H

influences t

0.  

model.  

ecision  of  t

he time histo

tion.  The  sl

ndencies we

was the init

e 16 shows t

the  floor w

ion pulses, t

n pulse. In t

the test. SIV

f the dummy

gher the SIV

HPC. 

he 

he 

ory 

ed 

ere 

tial 

he 

was 

he 

he 

VH 

y’s 

VH, 

IRC-15-44 IRCOBI Conference 2015

- 332 -

Page 7: Abstract - IRCOBI · ut on the s itudinal sea the shape ench‐end pa h‐end part id that a str r depends o e case of us ion (Figure 4 se passenge n the vehic se paramete is possible

Fi

 

Fi

 

Fi

 

Fi

 

g. 15. Behav

ig. 16. Measu

g. 17. The ve

g. 18. Relatio

(a) 

viour  of the d

urement of c

elocity chang

on between 

Initial positi

dummy.  

collision posi

ge of dummy

SIVH and HP

0

2

4

6

8

10

0

Volocity (m

/s)

5

10

15

20

HPC

on (0.000 se

 ition from th

y’s head ove

PC.  

50 100

0

00

00

00

00

0  2 

4.5

3.2

1.6

ec)           (b) T

TA

RE

he floor. 

r time during

0 150 2

Time(ms)

SIVH (m

mm

mm

mm

Time of seco

ABLE 1 

ESULTS OF TH

g the test.  

4

5

6

7Acceleration

200 250

Seconda(214ms

Jusecond(215m

6  8 

m/s)

ndary impac

HE COLLISION

 

1.6m

4.0G ‐

5.0G 1040

6.0G 1153

7.0G 1155

300

ary impacts, 6.4m/s)

ust afterdary impactms, 5.7m/s)

10 

 ct (0.214 sec)

N POSITION 

 

m 3.2mm

960

0 1020

3 1140

5 ‐

Stiffness

4.5mm

990

1070

s

IRC-15-44 IRCOBI Conference 2015

- 333 -

Page 8: Abstract - IRCOBI · ut on the s itudinal sea the shape ench‐end pa h‐end part id that a str r depends o e case of us ion (Figure 4 se passenge n the vehic se paramete is possible

Results of the Numerical Simulation  

The results of the dummy’s behaviours and the head accelerations in the simulations were compared with 

those of the sled tests. First as for the dummy’s behaviours, error rates between the sled tests and numerical 

simulations were measured  in the case of varying the friction coefficient between the dummy model and the 

longitudinal seating model. Figure 19 shows the error rates of the collision position and figure 20 shows those of 

SIVH. In the collision position, the error rate was 19% when the friction coefficient was 0.3. The error rate was 

decreased with increasing the friction coefficient. The error rate was minimum 3% when the friction coefficient 

was 0.9. In the SIVH, the error rate was 21% when the friction coefficient was 0.3.  The error rate was decreased 

with  increasing the friction coefficient. The error rate was minimum 3% when the friction coefficient was 0.9. 

From the results, it was found that the dummy model’s behaviours of the simulations almost corresponded with 

those of the sled tests in the condition that the friction coefficient was 0.9. Figure 21 shows relation between 

SIVH and collision position in the sled tests and the simulations. Horizontal axis represents SIVH and vertical axis 

represents  collision  position.  In  the  sled  tests,  the  higher  the  collision  position,  the  higher  the  SIVH.  The 

simulations reproduced a similar tendency. Figure 22 shows examples of the dummy model’s behaviour in the 

numerical  simulation  (Acceleration pulse: 5.0G, Stiffness: 1200N/mm, Friction: 0.9). The  left  side  (a) was  the 

initial  position  (0.000  sec),  and  the  right  side  (b)  was  the  time  of  the  secondary  impact  (0.215  sec).  The 

difference of the time of the secondary impact between the sled test and the simulation was only 0.001 sec.  In 

comparison with  the  results of  the dummy’s behaviour  in  the sled  test,  the posture of  the dummy model at 

secondary impact was almost the same.   

 

Fig. 19. Error rates of collision position.   Fig. 20. Error rates of SIVH.  

 

Fig. 21. Comparison of SIVH and collision position.  

 

10 

20 

30 

0.3  0.4  0.5  0.6  0.7  0.8  0.9  1.0 

Friction

Error rate (%)

10 

20 

30 

40 

0.3  0.4  0.5  0.6  0.7  0.8  0.9  1.0 

Friction

Error rate (%)

800 

900 

1000 

1100 

1200 

1300 

3  4  5  6  7  8  9  10  11 

Collision position (mm)

SIVH (m/sec)

Sled test

Simulation

IRC-15-44 IRCOBI Conference 2015

- 334 -

Page 9: Abstract - IRCOBI · ut on the s itudinal sea the shape ench‐end pa h‐end part id that a str r depends o e case of us ion (Figure 4 se passenge n the vehic se paramete is possible

Fi

 

co

18

ac

se

 

Fi

 

 

A

in

th

co

on

th

ne

de

er

st

ex

im

im

si

de

ne

 

g. 22. Behav

  Next,  h

omparing tes

82G and HPC

cceleration w

even times th

g. 23. Head 

Characte

lthough the 

n the sled tes

he dummy m

onducted  in 

ne. Relations

he error rate

eck’s joints.  

efault.  Cont

rror  rate wa

tandard devi

xample  of  t

mprovement

mprovement

gnificantly. B

efault dumm

eck’s joints.  

Head

 acceleration (G)

(a)

viour  of the d

head  acceler

st to simulat

C was 781. In

were observ

hat of the sle

G versus tim

ristics of nec

characterist

st. Therefore

model’s neck

order  to  im

s between s

es of the max

“D” means “

trolling the j

as  19%  in  th

ation of the 

the  head  ac

, maximum 

 was  seven 

By the result

my model.   T

100 

200 

300 

400 

500 

600 

700 

200

) Initial posit

dummy mod

ration was  i

tion (Acceler

n the simulat

ved which  is 

ed test. A co

me plot comp

ck’s joints we

ics of the joi

e the charact

. ES‐2 has fiv

mprove  the c

tatus of the 

ximum value

“default” an

oints one by

he  status  th

error rates, 

cceleration 

value  was 

times  that 

ts,  it  is diffic

The precision

210 220

Sled tes

Simulat

ion (0.000 se

del.  

nvestigated.

ation pulse: 

tion, maximu

not observe

mpletely diff

paring test to

IV

ere consider

nts simulate

eristics of th

ve joints at it

haracteristic

neck’s joint

e of the head

d “C” means

y one, error 

at  only  the 

the status th

in  the  statu

227G  and  H

of  the  sled

cult to evalua

n of the simu

230

st

tion

ec).      (b) Tim

.  Figure  23

4.0G, Thickn

um value wa

ed  in the sle

ferent tende

o simulation. 

V. DISCUSSIO

red as the rea

e those of the

he neck’s join

ts neck.  Exa

cs of  the  five

ts and the he

d acceleratio

s “controlled

rate was 21

bottom  join

hat all joints

us  that  all 

HPC  was  11

  test,  the  e

ate the  injur

ulation was 

240 250

Time (ms)

me of second

shows  exam

ness: 4.5mm

as 708G and 

ed test. The 

ency was pro

 

ON 

ason of the l

e dummy’s n

nts were imp

minations to

e  joints. The

ead accelera

on. The horiz

”. The error 

% in the sta

nt was  defa

 were contro

joints  were

146.  Althoug

error  rate  af

ries of passe

improved by

260

dary impact 

mples  of  the 

). In the sled

HPC was 567

HPC of the s

ovided in the 

ow precision

neck, head ac

proved. Figur

o control mo

e neck’s  joint

ation were e

zontal axis re

rate was 75%

tus that all j

ult.  Conside

olled was ad

e  controlled

gh  HPC  in  t

fter  the  imp

engers  in the

y controlling

270 280

 (0.215 sec). 

e  head G  ve

d test, maxim

76.  Vibratio

simulation w

e head accele

n of the head

cceleration d

re 24 shows 

ovement of t

ts were con

examined. Fig

epresents th

% when all f

joints were c

ering  the  ave

opted. Figur

.  In  the  sim

the  simulatio

provement w

e railway col

g the charact

290

rsus  time  pl

mum value w

ns of the he

was more th

eration.   

d acceleratio

did not vibra

appearance 

the joints we

trolled one 

gure 25 show

e status of t

ive joints we

controlled a

erage  and  t

re 26 shows 

mulation  aft

on  before  t

was  decreas

lision with t

teristics of t

300

lot 

was 

ad 

an 

on. 

ate 

of 

ere 

by 

ws 

he 

ere 

nd 

he 

an 

ter 

he 

ed 

he 

he 

IRC-15-44 IRCOBI Conference 2015

- 335 -

Page 10: Abstract - IRCOBI · ut on the s itudinal sea the shape ench‐end pa h‐end part id that a str r depends o e case of us ion (Figure 4 se passenge n the vehic se paramete is possible

Fi

 

Fi

 

Fi

 

co

m

co

0.

28

Fi

g.24. Five jo

g. 25. Error r

g. 26. Head 

For more

oefficient be

maximum  and

ondition that

.90, the rang

8% which wa

gure 28  sho

Head

 acceleration (G)

ints of the d

rates of max

G versus tim

e  improvem

etween  the d

d  the minim

t reproduces

ges of the e

as minimum

ows  relation 

50 

100 

150 

Error rate of maximun head

 acceleration (%)

100 

200 

300 

400 

500 

600 

700 

200

ummy mode

ximum head 

me plot comp

ment  of  the 

dummy mod

mum  value  o

s the results 

rror rates w

m. When the 

between  SI

D

D

D

D

D

D

D

D

D

C

D

D

D

C

C

210 220

Sled te

Simula

el.  

acceleration

paring test to

precision,  a

del and  the b

of  the  error 

of the sled t

ere almost 4

friction coef

IVH  and HPC

D

D

C

C

C

D

C

C

C

C

Statu

230

est

ation after im

n.  

o simulation 

a  simulation

bench‐end p

rates  of  th

test thorough

40%, respec

fficient was 

C  in  the  con

C

C

C

C

C

C

C

C

C

D

C

C

C

D

D

us of five joint

240 250

Time (ms)

provement

after improv

  analysis  w

partition mo

e HPC were

hly (figure 27

tively. When

more than 0

ndition  that 

C

C

D

D

D

C

D

D

D

D

ts

260

vement.  

as  conducte

del  from 0.8

e  investigate

7).  When th

n the friction

0.91, the ran

the  friction 

D: Defau

C: Contro

Average

Standard devia

270 280

 

ed  by  varyin

86  to 0.95.   

ed  in  order 

e friction wa

n was 0.91, 

nges were m

coefficient 

ult

ol

ation

290

ng  the  fricti

Ranges of  t

to  extract  t

as from 0.85 

the range w

more than 35

was 0.91. T

300

on 

he 

he 

to 

was 

%. 

he 

IRC-15-44 IRCOBI Conference 2015

- 336 -

Page 11: Abstract - IRCOBI · ut on the s itudinal sea the shape ench‐end pa h‐end part id that a str r depends o e case of us ion (Figure 4 se passenge n the vehic se paramete is possible

results of the simulation showed the tendency same as that of the sled test 

 

 Fig. 27. Range of error rate of HPC.  

 

 Fig. 28. Relation between SIVH and HPC.  

 

The simulation method in this study has a limitation on the precision of the HPC.  Although the error rate of 

the SIVH was only 3%,  the error  rate of  the HPC was almost 20%.   Two  reasons are considered.   One  is  the 

characteristics of the neck’s  joints of the dummy model.   Since the ES‐2 model was developed for automobile 

crash simulation, the default model was not able to evaluate the head injury in the railway collision accurately.  

The other  is  that  the bench‐end partition model, which was  the steel plate, was  the rigid body.   Actually  the 

steel plates deflect due to the impact.  It is necessary to model them with FE.   

V. CONCLUSIONS  

This study focused on a passenger seated on  longitudinal seating at the time of the railway collision. The 

purpose was to propose the simulation method to estimate the SIVH.  In order to confirm the situations of the 

secondary impact, the sled tests were conducted.   Numerical simulations reproducing the sled tests were also 

performed.  The results of the SIVH in the numerical simulations almost coincided with those of the sled tests. 

As for the head acceleration, the results of the simulation were different from those of the sled tests greatly.  It 

was found that the dummy model of the default is not usable for the evaluation of the head injury in the railway 

collision.  Controlling  the  characteristics  of  the  neck’s  joints,  the  precision  of  the  head  acceleration  was 

improved.  In the future, conducting parametric studies with various accelerations, relation between the vehicle 

acceleration and the secondary impact velocity is going to be clarified.   

 

VI. REFERENCES  

[1] Chatterjee S and Carney III JF. Passenger train crashworthiness – primary collisions. Transportation Research Record, 1996, 18, pp. 1–12. 

20 

40 

60 

80 

0.86  0.87  0.88  0.89  0.90  0.91  0.92  0.93  0.94  0.95 

Range

 of error tate of HPC

 (%)

Friction

0

500

1000

1500

2000

0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0

HPC

SIVH (m/s2)

4.5mm (Simulation) 3.2mm (Simulation) 1.6mm (Simulation)

4.5mm (Sled test) 3.2mm (Sled test) 1.6mm (Sled test)

IRC-15-44 IRCOBI Conference 2015

- 337 -

Page 12: Abstract - IRCOBI · ut on the s itudinal sea the shape ench‐end pa h‐end part id that a str r depends o e case of us ion (Figure 4 se passenge n the vehic se paramete is possible

[2] Chatterjee  S  and  Carney  III  JF.  Passenger  train  crashworthiness  –  secondary  collisions.  Transportation Research Record, 1996, 18, pp. 13–19. 

[3] Severson  JK,  Tyrell  DC  and  Perlman  AB.  Rail  passenger  equipment  collision  tests:  analysis  of  structural measurements. International Mechanical Engineering Congress and Exposition, Orlando, FL, 2000.  

[4] Wang W. Influence factors of railway vehicle interior impact injury. Applied Mechanics Materials, 2011, 79, pp. 227–231.  

[5] Li L. Research on designing crashworthy structure for urban rail vehicle and occupant safety by simulation method. China Academy of Railway Sciences, 2007, Beijing.  

[6] Hecht M. The crashworthiness of tramcar and LRV. Foreign Rolling Stock, 2005, 42(5), pp. 39–41.  [7] Tyrell, D., Severson, K. and Marquis, B. Crashworthiness of passenger trains – safety of high‐speed ground 

transportation  systems.  U.S.  Department  of  Transportation  Federal  Railroad  Administration  Office  of Research and Development, 1998, pp. 7–8.  

[8] Simons, J. W. and Kirkpatrick, S. W. High‐speed passenger train crashworthiness and occupant survivability. IJ Crash, 1999, 4(2), pp. 121–32 

[9] X., Suchao and T., Hongqi. Dynamic simulation of railway vehicle occupants under secondary impact. Vehicle System Dynamics, 2013, 51(12), pp. 1803–17. 

[10] Linda McCray. Simulation of  large school bus safety restraints. 17th  International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles, 2001, Paper No.313.  

[11]  Jeffrey  C.  Elias,  Lisa  K.  Sullivan  and  Linda B. McCray.  Large  school  bus  safety  restraint  evaluation.  17th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles, 2001, Paper No.345.  

[12]  Jeffrey C. Elias, Lisa K. Sullivan and Linda B. McCray. Large school bus safety restraint evaluation – Phase II. 18th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles, 2003, Paper No.313.  

[13]  Mitsuishi, H., Sukegawa, Y., Fujio, M. and Okano, S. Research on bus passenger safety  in  frontal  impacts. 17th  International  Technical  Conference  on  the  Enhanced  Safety  of  Vehicles,  2001,  Amsterdam,  The Netherlands. 

[14] Railway safety and standards board. Railway Group Standards GM/RT2100  issue 5: Requirements  for rail vehicle structures, 2012, Railway safety and standards board, London, UK, pp.27–30.  

 

IRC-15-44 IRCOBI Conference 2015

- 338 -