Logistyka - nauka. Analiza oddziaływania opóźnień bezwładności na użytkowników pojazdu w czasie zderzenia

Transkrypt

1 dr inż. Piotr Aleksandrowicz Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy Logistyka - nauka Analiza oddziaływania opóźnień bezwładności na użytkowników pojazdu w czasie zderzenia Wstęp Osoby znajdujące się wewnątrz pojazdu podczas wypadku chronione są karoserią samochodu, która ogranicza możliwość doznania urazów powstałych przy zderzeniu z innymi uczestnikami ruchu drogowego oraz elementami infrastruktury drogi. Użytkownicy pojazdu w następstwie wypadku drogowego doznają zespołu charakterystycznych obrażeń powstałych w następstwie silnego i gwałtownego uderzenia o elementy wnętrza pojazdu, jeśli osoby te nie były zapięte w pas bezpieczeństwa. W szczególności są to obrażenia głowy, kręgosłupa i klatki piersiowej. Osoby zapięte w pas bezpieczeństwa mogą również doznać obrażeń, choć nie tak poważnych jak w przypadku niezapięcia pasa bezpieczeństwa. W procesie analizy mechanizmu powstania tych obrażeń wykorzystuje się obliczenia w zakresie opóźnień bezwładności oddziałujących na ciała osób znajdujących się wewnątrz pojazdu podczas zderzenia. Skutki zderzenia związane są nie tylko z prędkością kolizyjną, ale również kompatybilnością pojazdów uczestniczących w zderzeniu oraz ich wyposażeniem w elementy bezpieczeństwa biernego stanowiące bezpośrednią ochronę człowieka [13]. Do elementów tych oprócz rozwiązań konstrukcyjnych zalicza się właśnie pasy bezpieczeństwa z napinaczami oraz poduszki gazowe. Proces rekonstrukcji wypadku drogowego polega na rozwiązywaniu problemów fizycznych praw rządzących nie tylko ruchem pojazdów, ale i związanych z biomechaniką, na przykład siłami oddziałującymi na kierującego samochodem w chwili zderzenia czy też opóźnieniami bezwładności oddziałującymi na osoby znajdujące się wewnątrz pojazdu podczas zderzenia z innym pojazdem lub elementami infrastruktury drogi czy też podczas przewracania się pojazdu [1, 2, 3]. Rekonstrukcja zdarzeń drogowych coraz powszechniej wspierana jest przez specjalizowane narzędzia informatyczne. Wsparcie to nie dotyczy wyłącznie obliczeń ale również w zakresie wykorzystania możliwości wizualizacji przebiegu zdarzenia obiektów w postaci animacji ich ruchu oraz oddziaływania opóźnień bezwładności na użytkowników pojazdu znajdujących się w jego wnętrzu, co też zaprezentowano w referacie [2, 9, 10, 14]. Logistyka 6/

2 1. Bezpieczeństwo ruchu drogowego Dane Krajowej Rady Bezpieczeństwa Ruchu Drogowego (KRBRD) wskazują, że w ubiegłym roku na terenie RP zaistniało wypadków drogowych. W tym wypadki polegające na zderzeniach czołowych przekroczyły liczbę 3500, czyli około 10% wypadków ogółem [11].Poniżej na rys. 1 zaprezentowano zestawienie ilościowe wypadków drogowych zaistniałych na terenie RP w roku 2013, a na rys. 2 udział procentowy według rodzaju zderzeń na tle całej struktury wypadków drogowych. Rys.1. Zestawienie ilości wypadków drogowych w RP zaistniałych w roku 2013 [11] Rys.2. Zestawienie wypadków drogowych w RP zaistniałych w roku 2013 według ich rodzaju [11] Ruch drogowy stwarza ryzyko uczestnictwa środka transportu w wypadku, podczas, którego użytkownicy pojazdu narażeni są na obrażenia. Przedmiotem zainteresowania autora referatu jest analiza i skutki oddziaływania opóźnienia bezwładności wywołujące sytuacje urazowe podczas zderzeń czołowych, bocznych oraz tylnych. 2. Klasyfikacja zderzeń i kompatybilność pojazdów wybrane zagadnienia W celu dokładnego zdefiniowania pojęć opracowano normę ISO 6813 Klasyfikacja zderzeń. Umożliwia ona precyzyjne określenie każdego rodzaju zderzenia. Według tej normy wyróżnia się zderzenia oraz pozostałe sytuacje, wśród których znalazły się również przewracanie pojazdu i pożar. Klasyfikację tę zaprezentowano poniżej na rys.3 [2, 13]. Logistyka 6/

3 Natomiast w podziale w zależności od kąta zderzenia między pojazdami wyróżniono zderzenie prostopadłe, podłużne oraz skośne. Na rysunku 4 przedstawiono tak zdefiniowane zderzenia [2, 12]. Rodzaj zderzenia na tym rysunku określany jest dla pojazdu wyróżnionego kropkami (ciemniejszego), ponieważ dla zderzenia sklasyfikowanego jako podłużne dla jednego samochodu jest zderzeniem czołowym, a dla drugiego tylnym. WYPADEK DROGOWY ZDERZENIE INNE CZOŁOWE BOCZNE PRZEWRACANIE INNE TYLNE INNE POŻAR Rys.3. Klasyfikacja zderzeń według ISO 6813 [13] Rys.4. Klasyfikacja zderzeń według kąta zderzenia [12] Rzeczywiste zderzenia podłużne pojazdów charakteryzują się bocznym przesunięciem w odniesieniu do podłużnej osi symetrii, a istotny jest przy tym także obszar zderzenia [13]. Obszar ten nazywany jest overlap. Na rys.5 wielkość tego obszaru stanowi powierzchnię kontaktu obu pojazdów - oznaczono symbolem A. Natomiast boczne przesunięcie Logistyka 6/

4 zderzających się samochodów, które nazywane jest offset, oznaczono na ww. rysunku symbolem B. Jest to najkrótsza odległość pomiędzy głównymi płaszczyznami symetrii samochodów w sytuacji zderzenia niewspółosiowego. Rys.5. Obszar zderzenia overlap i boczne przesunięcie offset [13] Inaczej następuje definiowanie pomiaru przesunięcia w zderzeniu bocznym prostopadłym. W takim zderzeniu płaszczyzny symetrii obu samochodów przecinają się pod kątem prostym, a krawędź przecięcia przechodzi przez wyróżniony punkt pojazdu uderzanego, którym może być punkt R, środek masy lub też środek długości nadwozia samochodu. Punkt R znajduje się na wysokości stawu biodrowego 95% kierowców. Wybór takiego wyróżnionego punktu zależy przede wszystkim od celu i możliwości eksperta analizującego zderzenie. Uwzględniając proces obliczeniowy ruchu zderzających się pojazdów, często stosuje się punkt odpowiadający środkowi masy pojazdu, co zaprezentowano na rys.6 [2,13]. Rys.6. Obszar zderzenia overlap i boczne przesunięcie offset [13] Logistyka 6/

5 Jeśli wskutek zderzenia nastąpi znaczne odkształcenie nadwozia pojazdu wyznaczenie ww. wyróżnionego punktu jest kłopotliwe. A mieć na uwadze należy, że punkt R kierowcy ma znaczenie przy wyznaczaniu parametrów biomechanicznych. Najłatwiej więc jest określić położenie punktu leżącego w płaszczyźnie prostopadłej względem podłużnej osi symetrii samochodu przechodzącej przez środek długości nadwozia. Przesunięcie krawędzi przecięcia podłużnych płaszczyzn symetrii pojazdów w odniesieniu do wyróżnionego wyżej punktu określa natomiast wartość offset. W modelowaniu matematycznym fazy zderzenia istotny jest punkt przyłożenia siły oraz kierunek wypadkowej siły impulsowej działającej na pojazd. W teorii kierunek ten określa kąt między podłużną pionową płaszczyzną symetrii pojazdu a płaszczyzną pionową, na której leży wypadkowa siła impulsowa. W praktyce jednak oszacowanie tego kierunku oraz punktu przyłożenia siły impulsowej jest trudne. W rzeczywistych zderzeniach, bowiem najczęściej występuje sytuacja, gdy następuje zderzenie skośne z bocznym przesunięciem pojazdu. Wówczas offset pojazdów w zderzeniu skośnym definiowany jest odległością punktów B i C. W celu ich wyznaczenia należy wpierw wyznaczyć punkt A leżący w pionowej płaszczyźnie symetrii pojazdu definiującego rodzaj zderzenia. Na rys.7 pojazd ten zaprezentowano z wypełnieniem w postaci kropek. Punkt B leży natomiast w pionowej płaszczyźnie przechodzącej przez punkt A, równoległej do pionowej płaszczyzny symetrii drugiego samochodu [2,13]. Rys.7. Warianty zderzenia skośnego z bocznym przesunięciem pojazdu [13] Omówione wyżej zasady umożliwiają jednoznaczne i precyzyjne ustalenie rodzaju zderzenia pojazdów. Jednak pamiętać należy, że wyniki testów na przykład EuroNCAP mogą być porównywane wyłącznie w obrębie tej samej kategorii wagowej pojazdów. Ponadto na skutki zderzenia mają wpływ parametry geometryczne samochodów. Problem kompatybilności zawiera zagadnienia bezpieczeństwa w ruchu drogowym oraz dotyczy Logistyka 6/

6 wzajemnych relacji wszystkich uczestników ruchu. Pierwsze działania w zakresie kompatybilności poświęcono zderzeniom pojazdów. Nadal otwarte pozostaje zagadnienie zmniejszenia skutków kolizji samochodu z pieszym czy użytkownikami pojazdów jednośladowych. Problemem w zderzeniach pojazdów pozostaje sposób, w jaki można ograniczyć skutki wypadku w sytuacji, gdy następuje on między pojazdami różnych kategorii. Najwyraźniej zauważalne jest to w zderzeniu samochodu osobowego z ciężarowym. Efekt masy Z praktyki wynika, że podczas zderzenia pojazdów małych z dużymi dla samochodów mniejszych skutki zderzenia są groźniejsze [2, 7, 8]. Małe samochody podlegają większej zmianie prędkości podczas zderzenia, a ich nadwozia pochłaniają mniej energii zderzenia przez strefy kontrolowanego zgniotu i mają mniejszą przestrzeń przeżycia dla kierowcy i pasażerów. Skutkuje to tym, że wartość opóźnienia podczas zderzenia w pojeździe małym jest większa niż w dużym. Tym samym użytkownicy małego pojazdu są narażeni na działanie większych sił bezwładności i dla tych użytkowników ryzyko powstania obrażeń jest większe. Efekt sztywności Testy zderzeniowe wskazują, że lżejsze pojazdy powinny mieć sztywniejszą strukturę, a samochody o masie większej odpowiednio mniej sztywną w obszarze kontaktu podczas zderzenia z samochodem małym [2, 12]. Głębokość odkształcenia nadwozia pojazdu jest odwrotnie proporcjonalna do jego sztywności. W samochodzie sztywność kabiny musi być więc większa od sztywności przedniej części nadwozia. Wówczas podczas zderzenia taka sama ilość pochłoniętej energii przez przednią część nadwozia nastąpi przy mniejszych siłach i większym odkształceniu w porównaniu z kabiną samochodu w szczególności w pojazdach po nieprawidłowej naprawie powypadkowej [6, 7, 8]. Problem w analizach sprawia porównanie charakterystyk sztywności nadwozi. Wynika to z tego, że każdy typów samochodów charakteryzuje się inną sztywnością nadwozi, co zaprezentowano na rysunku 8 [13]. Rys.8. Zderzenie samochodów o różnych charakterystykach sztywności [13] Logistyka 6/

7 W celu porównania charakterystyk sztywności nadwozi w kontekście ich kompatybilności pojazdów przyjęto, żepoziomy oznaczone na ww. rys. 8 cyframi 1 oraz 2 określają graniczne wartości sił zderzenia, które powodują naruszenie kabin zderzających się samochodów. Zatem jeśli w trakcie wypadku drogowego siła zderzenia byłaby większa od wartości określonej poziomem 2, to w obu pojazdach nastąpi odkształcenie ich kabin. Tym samym prawdopodobieństwo obrażeń uczestników obu pojazdów będzie duże. Z koleiw sytuacji gdyby siła ta byłaby mniejsza od poziomu 1, to nie nastąpi naruszenie przestrzeni klatki bezpieczeństwa kabiny. Przyjęto więc, że samochody są kompatybilne pod względem sztywności nadwozia, jeżeli graniczne siły zderzenia dla obu pojazdów w poziomach 1 i 2 będą takie same. Czyli - innymi słowy jeśliw tej samej chwili odkształcenie osiągnie strefy kabin obu kolidujących ze sobą samochodów. Efekt parametrów geometrycznych Niedopasowanie pojazdów ze względu na parametry geometryczne jest najbardziej zauważalne. W zakresie kompatybilności geometrycznej w kategorii samochodów osobowych w zderzeniu czołowym najistotniejsze jest położenie podłużnic. Te elementy konstrukcyjne stanowią jednocześnie miejsce posadowienia jednostki napędowej w komorze silnikowej samochodu. Ze względu na fakt, że obecnie większość okładzin zderzaków samochodów osobowych jest z tworzyw sztucznych, niedopasowanie wysokości położenia zderzaków nie jest tak istotne, ponieważ pochłaniają one energię zderzenia przy relatywnie małych prędkościach względnych, nieprzekraczających 10 km/h [13]. Natomiast w sytuacji zderzenia samochodu osobowego z samochodem terenowym, problemu kompatybilności geometrycznej nie da się uniknąć ze względu na różnicę prześwitu porównywanych samochodów, co zaprezentowano na rys.9[2, 9, 10]. Podobnie problem niekompatybilności występuje w przypadku zderzeń bocznych ze względu na różne położenie wysokości zderzaków i podłużnic oraz progów, co zaprezentowano na rys. 10 [2, 9, 10]. P Z Rys.9. Schemat niekompatybilności geometrycznej pojazdów [opracowanie własne] Logistyka 6/

8 Cybid V-SIM CYBID sp.j. Licencja numer 77FB96D2 dla Almot-Ekspert dr inż. Piotr J. Aleksandrowicz, Niemcz Logistyka - nauka Największe problemy niekompatybilności występują jednak w sytuacji zderzenia samochodu osobowego z ciężarowym. Pojazdy o dużych rozmiarach powinny charakteryzować się przednimi strukturami nadwozia kompatybilnymi z samochodami małymi. Jeśli tak nie będzie to samochód osobowy na początku fazy zderzenia wsunie się pod zderzak samochodu ciężarowego poza swoimi strefami energochłonnymi przedniej części nadwozia. To doprowadzi do groźnych skutków takiego wypadku. Na rys.10 zaprezentowano omawianą niekompatybilność samochodu małego i dużego [2, 9, 10]. Rys.10. Niekompatybilność geometryczna samochodów osobowych i ciężarowych [opracowanie własne] 3. Badania własne analiza opóźnień bezwładności w zderzeniu czołowym Przemieszczenia ciał osób znajdujących się podczas wypadku we wnętrzu samochodu wynikają z oddziaływania opóźnień bezwładności. Oszacowanie wartości sił bezwładności oraz ich kierunku wymaga skomplikowanych analiz oraz obliczeń. W przeprowadzonejanalizie przyjętonastępujące parametry obiektubadań i warunki jego ruchu: pojazdaudi A3II, htb.3drzwi, 1.6,zukładem ABS, jadący 70km/h,hamowaniepełne nacisk na hamulec 100%, prędkość uderzenia w słup 42km/h; jezdnia asfaltowa sucha, przeszkoda słup betonowy latarni ulicznej. Na rys.11 zaprezentowano wizualizację przeprowadzonej symulacji zderzenia na podstawie, której ustalono, że największe opóźnienia bezwładności oddziałujące na ciała osób znajdujących się wewnątrz hamowanego samochodu z prędkości początkowej 70 km/h i przy prędkości zderzenia rzędu około 42 km/h osiągnęły wartość ponad 20,7gw czasie 0,09s. Rys.11. Przebieg symulacji uderzenia pojazdu w słup [opracowanie własne i 9, 10] Logistyka 6/

9 6. Podsumowanie Analiza oddziaływania opóźnień bezwładności na użytkowników pojazdu w czasie zderzenia przy pomocy programu V-SIM3 umożliwia analizowanie zmian opóźnień bezwładności na ciała osób znajdujących się wewnątrz pojazdu w czasie, co jest pomocne w ustalaniu mechanizmu powstania obrażeń uczestników wypadku.uzyskane w proponowany sposób wartości opóźnień bezwładności w czasie można porównywać ze znanymi z literatury w dziale biomechaniki parametrami takimi jak na przykład, dla[2, 7, 8]: oszacowania granicznych wartości odporności głowy na opóźnieniawstc (Wayne State Tolerance) lub SI (Severity Index) - kryterium HIC; oceny obrażeń górnego odcinka kręgosłupa kryterium NIC (Neck Injury Criterion); oceny obrażeń CTI (Combined Thoracic Index) - kryterium CTI; oceny obrażeń nóg kryteriumfpc odporności kości udowej (Femur Performance Criterion), FFC (Femur Force Criterion) i kości goleniowej kryterium TCFC (Tibia Compression Force Criterion). Obliczone wartości opóźnień są również ważnym i cennym materiałem dla specjalistów z zakresu medycyny sądowej specjalizujących się w biomechanice wypadkowej. Ponadto rezultaty obliczeń możnaprzedstawić w postaci animacjiprzebiegu wypadku, które mogą byćwykorzystywane w kampaniach informacyjnych dla kierowców, w celach edukacyjnychoraz działaniach prewencyjnych dzięki obrazowemu efektowi wizualizacji zderzenia obiektów.przeprowadzoną symulację przebiegu analizowanego studium przypadku zrealizowano przy pomocy programu Cybid V-SIM wersja licencja edukacyjna numer 8464BD5C wystawiona dla Uniwersytetu Technologiczno-Przyrodniczego w Bydgoszczy. Analysis of the influence of delays of the inertia on users of the vehicle during the collision Summary Being persons inside the vehicle during the accident are being protected with car body of the car which is reducing the possibility of sustaining injuries arising at inducing collision with other participants of the road traffic and elements of the infrastructure of the road. Users of the vehicle as a result of road traffic accidents will experience the team of characteristic injuries incurred as a result of the strong and violent blowagainst elements of the inside of the Logistyka 6/

10 vehicle, if these persons weren't done up into a seat belt.in particular they are these are injuries of the head, the spine and the chest. Persons done up into a seat belt can also sustain injuries, and calculations are of help in delays to an inertia of persons having an influence on bodies being inside the vehicle in analysis of the mechanism of the occurrence of these injuries during the collision.in the article classification of collisions and the problem of the compatibility of vehicles were presented. The analysed problem was presented relating to characteristics of injuries of users mentioned above of the vehicle along with the value engineering of delays having an influence inertiae at applying the V-SIM 3 simulation program. The article is presenting elements for applying the culture of the road traffic consisting in using seat belts for reducing effects of road traffic accidents in information campaigns in the forming. LITERATURA [1] Aleksandrowicz P., Landowski B., Analiza zdarzenia drogowego w aspekcie zachowania zasad bezpieczeństwa w ruchu drogowym. Logistyka 6, [2] AleksandrowiczP Biomechanika w analizie wypadków drogowych. Wydawnictwa Uczelniane UTP, Bydgoszcz. [3] Aleksandrowicz P., Przykład analizy zderzenia samochodu i motocykla w kontekście bezpieczeństwa w ruchu drogowym. Logistyka 6, [4] Aleksandrowicz P., Wykorzystanie nieinwazyjnych metod diagnozowania stanu technicznego pojazdu dla weryfikacji naprawy powypadkowej, Polskie Stowarzyszenie Zarządzania Wiedzą. BEL Studio sp. z o.o., Warszawa, nr 68, str [5] Gonera J., Michalski R Kompleksowa ocean stanu technicznego nadwozia samochodu, Polskie Stowarzyszenie Zarządzania Wiedzą. BEL Studio sp. z o.o., Warszawa, nr 47, str [6] Praca zbiorowa, Problematyka prawna i techniczna wypadków drogowych. IES Kraków. [7] Prochowski L., Unarski J., Wach W., Wicher J., Pojazdy samochodowe. Podstawy rekonstrukcji wypadków drogowych. WKŁ Warszawa. [8] Praca zbiorowa, Wypadki drogowe. Vademecum biegłego sądowego. IES Kraków. [9] Program AutoView. Baza danych sylwetek pojazdów. (dostępne ), [10] Program V-SIM3 do analizy wypadków drogowych firmy Cyborg Idea. (dostępne ), [11] Stan bezpieczeństwa ruchu drogowego oraz działania realizowane w tym zakresie w roku 2013, (dostępne r), [12] Wicher J., Opiniowanie wypadków drogowych. Klasyfikacja zderzeń samochodów. SRTSiRD Warszawa. [13] Wicher J., Pojazdy samochodowe. Bezpieczeństwo samochodów i ruchu drogowego. WKŁ Warszawa. [14] Virtual Crash, Symulator do analizy wypadków drogowych. (dostępne ), Logistyka 6/