Разработка полномасштабной конечно-элементной модели антропоморфного манекена Hybrid III 50% Male Dummy (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, BioRID, RID2).

 

Семейство антропоморфных манекенов для различных краш-тестов

Различия в манекенах взрослых людей, в частности для фронтальных краш-тестов, обусловлены статистикой, по которой выделяют несколько типов людей по габаритам и массе. То же самое сделано и для манекенов – их характеристика выражается в процентилях. Для фронтальных краш-тестов из семейства Hybrid III используются три типа манекенов взрослых мужчин: 5-, 50- и 95-процентильный. Например, 5-процентильный означает, что только 5% популяции взрослых людей меньше, чем данный манекен. Таким образом, 50-процентильный манекен Hybrid III 50th Percentile Male соответствует «среднестатистическому» взрослому мужчине и является самым распространенным манекеном для данного типа испытаний.

a)	б)	в)

 а) – процентильные характеристики манекенов, б) – распределение по росту, в) – распределение по массе

Манекен Hybrid III 50th Percentile Male представляет собой очень сложное устройство, имеющее форму и распределение масс, аналогичные живому человеку. Он в точности воспроизводит поведение тела человека в условиях фронтального столкновения автомобиля и способен проводить измерения сил, перемещений и ускорений в различных частях тела. Манекен должен быть тщательно изготовлен и сертифицирован по множеству критериев, таких как внешние габариты и массы, параметры грудной клетки, головы, шеи, коленного сустава, голени и стопы.

Схемы измерений внешних габаритов и испытания шеи манекена 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 Hybrid III 50th Percentile Male для фронтальных 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 (конструкция из алюминия и резины с центральным тросом в качестве шейного отдела позвоночника),
• искривление поясничного отдела позвоночника человека в сидячей позе,
• форму грудной клетки (ребер).
 

Характеристики модели
Число узлов (NN)	81524
Число элементов (NE)	93477
Число степеней свободы (NDOF)	261927
Число материалов	170

 

Манекен Hybrid III 50th Percentile Male Crash Test для натурных экспериментов и его КЭ
модель, разработанная сотрудниками лаборатории "Вычислительная механика"

Для КЭ модели манекена Hybrid III 50th Percentile Male проведены все калибровочные тесты, требуемые стандартами FMVSS208 49 CFR, Part 572, Subpart E и ЕЭК ООН 94 от 8 мая 2007 г. для существующих манекенов. Результаты испытаний удовлетворяют представленным требованиям.

Калибровочный тест	Испытания	Стандарт
Измерение внешних габаритов	Измерение	FMVSS208 49 CFR, Part 572, Subpart E
Измерение массы	Измерение
Калибровка грудной клетки	Удар в грудную клетку
Калибровка головы	Падение головы на плоскость
Калибровка шеи	Испытания шеи на изгиб и растяжение
Калибровка коленного сустава	Удар в коленный сустав
Калибровка голени и стопы	Удары в верхнюю и нижнюю часть стопы с башмаком и без башмака	ЕЭК ООН 94 от 8 мая 2007 г.

  

Анимации результатов калибровочных тестов груди и головы КЭ модели манекена
 

Начальное положение, 0 мс	29 мс	Максимальный изгиб, 58 мс
86 мс	Прохождение через положение 0⁰, 114 мс	180 мс

Поведение шеи манекена при испытании на изгиб

 

 
Анимации результатов испытаний голени манекена на удар в верхнюю часть стопы и пятку

Схема испытания коленного сустава

Разработанная КЭ модель манекена Hybrid III 50th Percentile Male успешно применяется при моделировании фронтальных краш-тестов различных автомобилей. С ее помощью определяются значения критериев травмирования различных частей тела человека.

Анимация фронтального краш-теста, скорость автомобиля 56 км/ч, перекрытие 40%

а)	б)
в)

 Примеры определения критериев травмирования: а) – шеи растягивающим усилием 
(кумулятивный), б) – голени (tibia index), в) результирующее ускорение головы и значение 
критерия травмирования головы HIC36

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