Разработка полномасштабной конечно-элементной модели антропоморфного манекена EuroSID-2 (Side Impact 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-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

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

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 "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
 

    
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.