Список выполненных НИОКР

Разработка полномасштабной конечно-элементной модели антропоморфного манекена EuroSID-2 (Side Impact Dummy) (2013 г.)

Отрасли промышленности:
Ключевые слова Полномасштабная конечно-элеменная модель, манекен EuroSID-2
Программное обеспечение SIMULIA/Abaqus, LS-DYNA
Период проведения 2013 г.

Неотъемлемой частью разработки нового автомобиля является проверка его безопасности для людей, находящихся в салоне. Это делается при проведении различных краш-тестов: фронтальных, боковых, задних. Для оценки вероятности и степени тяжести травм, получаемых водителем и пассажирами при столкновениях, используются антропоморфные манекены. С их помощью можно измерять воздействия ударных нагрузок на различные части тела человека, используя набор встроенной измерительной аппаратуры. В настоящее время существует и активно развивается целое «семейство» манекенов для различных типов краш-тестов. Среди них есть несколько типов манекенов взрослых людей и детей различных возрастов (Hybrid III, Hybrid II, CRABI, BioSID, EuroSID-2, BioRID, RID2).

 
Семейство антропоморфных манекенов для различных краш-тестов

Строение манекена существенно зависит от типа краш-теста, для которого он создан. Это связано, в первую очередь, со спецификой нагрузки на человека в том или ином типе столкновения. Так, при фронтальном столкновении необходимо уделять особое внимание травмированию шеи, нижних конечностей, грудной клетки в направлении удара. При боковом краш-тесте основное воздействие идет на верхнюю часть тела, поэтому в нижних конечностях даже нет измерительной аппаратуры. При этом такие системы, как ремни и фронтальная подушка безопасности, не могут защитить человека от травм, получаемых при боковом столкновении. Поэтому необходимо разрабатывать иные системы защиты водителя и пассажиров, такие как усилители боковых дверей и боковые подушки ("занавески") безопасности.

Характерное поведение манекена EuroSID-2 при боковом краш-тесте
Характерное поведение манекена EuroSID-2 при боковом краш-тесте

Манекен EuroSID-2, разработанный в Европе в 2000х годах, является широко используемым инструментом для измерения воздействий, приходящихся на тело человека при боковых краш-тестах. Он представляет собой очень сложное устройство, имеющее форму и распределение масс, аналогичное живому человеку. Он в точности воспроизводит поведение тела человека в условиях бокового столкновения автомобиля и обладает комплексом аппаратуры для измерения сил, перемещений и ускорений в различных частях тела. Манекен должен быть тщательно изготовлен и сертифицирован по множеству критериев, таких как внешние габариты и масса, параметры грудной клетки и ребер, головы, шеи, поясничного отдела позвоночника, плечевого сустава, брюшной полости и таза.

 Схемы измерений внешних габаритов и испытания шеи манекена EuroSID-2 на изгиб          Схемы измерений внешних габаритов и испытания шеи манекена EuroSID-2 на изгиб
Схемы измерений внешних габаритов и испытания шеи манекена EuroSID-2 на изгиб

Однако в связи с высокой стоимостью организации и проведения натурных краш-тестов с манекенами, на этапе разработки автомобилей производится серия конечно-элементных экспериментов, аналогичных будущим краш-тестам. Уровень развития современной вычислительной техники позволяет включить в анализ полноценную конечно-элементную модель манекена и провести компьютерное моделирование столкновения, максимально приближенное к натурному краш-тесту.

В ноябре 2013 года сотрудниками лаборатории "Вычислительная механика" (CompMechLab®) была разработана полномасштабная пространственная конечно-элементная модель антропоморфного манекена EuroSID-2 для боковых краш-тестов автомобилей. По своему строению модель полностью соответствует существующему манекену и учитывает все особенности тела человека, в том числе:
• поведение шеи при ударных воздействиях,
• поведение ребер, плечевого сустава, брюшной полости и таза при боковом ударе
• искривление поясничного отдела позвоночника человека в сидячей позе.

 Характеристики модели
Число узлов (NN) 65714
Число элементов (NE) 59578
Число степеней свободы (NDOF) 249755
Число материалов            116          

 

Манекен EuroSID-2 для натурных экспериментов и его КЭ модель, разработанная сотрудниками лаборатории          
Манекен EuroSID-2 для натурных экспериментов и его КЭ модель, разработанная
сотрудниками лаборатории "Вычислительная механика"

Для КЭ модели манекена EuroSID-2 проведены все калибровочные тесты, требуемые стандартом FMVSS214 49 CFR, Part 572, Subpart U для существующих манекенов. Результаты испытаний удовлетворяют необходимым требованиям.

Часть манекена Калибровочное испытание Анимации результатов
Внешние габариты Измерение
Масса Измерение
Голова Падение головы на плоскость
Шея Испытания шеи на изгиб
Поясничный отдел позвоночника Испытания поясничного отдела позвоночника на изгиб
 Ребро Серия ударов в систему ребра   
Плечевой сустав   Удар в плечо  
Грудная клетка   Удар в грудную клетку  
Брюшная полость   Удар в брюшную полость  
Таз  Удар в таз   

 Разработанная КЭ модель манекена EuroSID-2 успешно применяется при моделировании боковых краш-тестов различных автомобилей. С ее помощью определяются значения критериев травмирования различных частей тела человека.

Анимация бокового краш-теста, скорость тележки барьера 50 км/ч       

 

Анимация бокового краш-теста, скорость тележки барьера 50 км/ч
 

Примеры определения критериев травмирования    
а)                                                                                б)


в)

Примеры определения критериев травмирования: а) – перемещение нижнего ребра, 
б) – усилие в брюшной полости, в) результирующее ускорение 
головы и значение критерия травмирования головы HIC36.

Публикация подготовлена сотрудниками CompMechLab® на основе работы выполненной в 2013 г.