Modelowanie ciała człowieka przy zderzeniach z małymi prędkościami

Transkrypt

1 BURACZEWSKI Paweł 1 JACKOWSKI Jerzy 2 Modelowanie ciała człowieka przy zderzeniach z małymi prędkościami WSTĘP Większość obecnie prowadzonych testów zderzeniowych odnosi się do prędkości określonych w regulaminach organizacji odpowiadających za homologację pojazdów na terenie danego państwa czy wspólnoty państw. Instytucją, która wyznacza w tym względzie standardy jest NCAP, zgodnie z którymi prędkość samochodu, przy których prowadzone są testy zderzenia czołowego to 56km/h lub 64km/h, zderzenia bocznego 50km/h, zderzenia bocznego z nieruchomą kolumną 29 km/h [3,4,5,6]. Ostatnio coraz częściej zwraca się także uwagę na możliwość występowania obrażeń ciała człowieka przy zderzeniach z małymi prędkościami, głównie w aspekcie najechania na tył pojazdu. Powstaje wiele nowych konstrukcji stanowisk badawczych umożliwiających prowadzenie badań z małymi prędkościami. Obecnie w crash testach stosuje się manekin Hybrid III, którego budowa i odpowiednie skojarzenia sprężysto-tłumiące jego części ciała odwzorowują budowę i zachowania się człowieka podczas zderzenia ze wskazanymi powyżej wartościami prędkości. Często też odpowiednie właściwości sprężysto-tłumiące powiązań części ciała manekina, ich wielkości i masy wprowadzane są jako dane do badań modelowych. Zachodzi zatem pytanie czy dane manekina wykorzystywanego w próbach zderzeniowych z prędkością ponad 50km/h mogą być także wykorzystywane podczas badań z małymi prędkościami. 1. MODEL FIZYCZNY CZŁOWIEKA NA FOTELU W SAMOCHODZIE Człowiek z fizycznego punktu widzenia stanowi zbiór brył powiązanych ze sobą przegubami o określonej sztywności i tłumieniu. W tworzonym modelu (rysunek 1) pominięto kończyny dolne i górne. Masy kończyn zostały uwzględnione w masach skupionych w dwóch punktach torsu punkt stawu biodrowego zawiera w sobie masę kończyn dolnych, a na wysokości klatki piersiowej została zawarta masa torsu i kończyn górnych. Kolejnym uproszczeniem było zastąpienie szyi pojedynczym przegubem, który stanowi połączenie głowy z torsem. Miało to na celu wyeliminowanie konieczności budowy modelu z uwzględnieniem ośmiu przegubów (człowiek w odcinku szyjnym posiada siedem kręgów) o ograniczonym ruchu i różnych sprężystościach i wartościach tłumienia. Pasy bezpieczeństwa w tworzonym modelu stanowią układ połączonych równolegle sprężyn i tłumików zamocowanych w płaszczyźnie poziomej równoległej do osi poziomej X. W modelu fizycznym pominięto oddziaływania grawitacyjne oraz związane z tym tarcie w skojarzeniu odzież manekina siedzisko fotela. Podczas zderzenia przeciążenia działające w kierunku osi poziomej X kilkakrotnie przekraczają wartości przyspieszenia Ziemskiego, a zatem można przyjąć, że siła tarcia między fotelem a manekinem ma pomijalnie mały wpływ na zachowanie się modelu człowieka Warszawa, ul. S. Kaliskiego 2, Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Mechaniczny,, Warszawa; ul. gen. Sylwestra Kaliskiego 2, buraczewskipawel@gmail.com Warszawa, ul. S. Kaliskiego 2, Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Mechaniczny, Warszawa; ul. gen. Sylwestra Kaliskiego 2, Tel: , jjackowski@wat.edu.pl 915

2 Rys. 1. Schemat modelu fizycznego 2. MODEL MATEMATYCZNY Modelem matematycznym człowieka nazywa się zespół równań opisujący zachowanie się poszczególnych części ciała człowieka pod wpływem działających na nie sił zewnętrznych. W opisywanym przypadku model matematyczny stanowią trzy równania opisujące trzy stopnie swobody zbudowanego modelu fizycznego przemieszczenia liniowego x 1, przemieszczenia kątowego torsu Ø 1 i przemieszczenia kątowego głowy Ø 2 : (1) 916

3 (2) Zapisano również układ równań pomocniczych, niezbędny dla określenia położenia a następnie przemieszczenia punktu mocowania odcinaka ramieniowego pasa bezpieczeństwa do modelu człowieka: (3) (4) oraz przemieszczania środka masy głowy: (5) 3. WYNIKI BADAŃ MODELOWYCH Równania modelu matematycznego zostały wprowadzone do programu MATLAB/Simulink R2008a za pomocą blokowego interfejsu Simulink. Dane wejściowe odnoszące się do modelu człowieka były wartościami, jakimi charakteryzuje się manekin Hybrid III, uznawany obecnie za najbardziej zbliżonego właściwościami do ludzkiego ciała. Na rysunkach 2 do 9 zestawiono wyniki badań eksperymentalnych i modelowych. Badania eksperymentalne przeprowadzono na stanowisku opisanym w pracy [1]. Zachowanie się części ciała manekina na stanowisku badawczym rejestrowano przy pomocy kamery do zdjęć szybkich. Na części ciała manekina (biodro, ramię głowa) naniesiono znaczniki, a następnie korzystając z programu TEMA Automotive wyznaczono trajektorie punktów wskazanych przez znaczniki. Analiza uzyskanych wyników wskazuje na zadowalającą zgodność uzyskanych rezultatów w zakresie maksymalnych wartości przyspieszeń/opóźnień wózka z fotelem oraz obserwowanych na torsie w miejscu połączenia z ramieniem (rys.2, rys.3). Rozbieżności uzyskanych wyników obliczeń i wyników badań eksperymentalnych nie przekraczają 10%. Znacznie większe różnice odnotowano w przebiegach przyspieszeń głowy. Przyczyn tych rozbieżności autorzy upatrują w niedopasowaniu właściwości sprężysto-tłumiącego połączenia głowy z torsem modelu człowiek w porównaniu do parametrów fantomu wykorzystywanego w badaniach eksperymentalnych. Poza tym wydaje się, że manekin (fantom) miał zdecydowanie przesztywnioną szyję. 917

4 Rys. 2. Przebieg przyspieszeń uzyskany z eksperymentu Rys. 3. Przebieg przyspieszeń uzyskany z modelowania Na rysunkach 4 i 5 zestawiono przebiegi prędkości poszczególnych części ciała manekina. Ogólny charakter przebiegów prędkości wózka fotela oraz ramienia torsu uzyskanych w badaniach eksperymentalnych i modelowych jest zbliżony, aczkolwiek widoczne są też wyraźne różnice. Np. na przebiegach z badań symulacyjnych widać zatrzymanie wózka z fotelem i manekina oraz ich ruch powrotny. W badaniach eksperymentalnych obserwujemy drgania wzdłużne wózka, spowodowane jego wyhamowywaniem oraz spóźnioną reakcję manekina wywołaną luzami w układzie jego umocowania i zwłoką zadziałania blokady zwijacza pasów bezpieczeństwa. W badaniach modelowych nie uwzględniono ani luzów, ani opóźnionej reakcji blokady wysuwu pasa. Dlatego inne jest przesunięcie fazowe pomiędzy przebiegami pokazującymi spadek prędkości wózka i manekina (model reaguje szybciej o ok. 0,02s). Widoczne są także istotne rozbieżności w poruszaniu się głowy manekina i modelu. 918

5 Rys. 4. Przebieg prędkości uzyskany z eksperymentu Rys. 5. Przebieg prędkości uzyskany z modelowania Na rysunku 6 zestawiono przebiegi kątowego przemieszczenia torsu w funkcji czasu. W badaniach eksperymentalnych maksymalne odchylenie manekina od pionowej pozycji wyjściowej (przedzderzeniowej) nieznacznie przekraczało 7, natomiast w modelu wyniosło ok. 5. Różnica ta, to najprawdopodobniej efekt przyjęcia liniowej charakterystyki sztywności pasa bezpieczeństwa. W dostępnej literaturze autorzy często wskazują na progresywność przebiegu tej charakterystyki [2]. Zasadne wydaje się zatem przeprowadzić badań taśm pasów, w jakie wyposażone jest stanowisko oraz wprowadzenie do modelu bloków opisujących luzy pomiędzy taśmą pasów a modelem manekina. 919

6 Rys. 6. Przebieg przemieszczeń kątowych torsu uzyskany z eksperymentu WNIOSKI Zderzenia z małymi prędkościami stanowią obszar, który znajduje się zazwyczaj poza zainteresowaniem ośrodków badawczych zajmujących się bezpieczeństwem ruchu drogowego. Ma to związek z niewielkimi obrażeniami poszkodowanych w zdarzeniach tego typu. Zagadnienie to może zostać jednak z powodzeniem zastosowane do badań pojazdów wolnobieżnych i poruszających się w trudnym terenie, gdzie nie są rozwijane duże prędkości, a istnieje prawdopodobieństwo kolizji np. z karpą, niepodatnymi elementami zawieszenia, przez co na pojazd (a w związku z tym i na pasażerów) zostają przeniesione stosunkowo duże przeciążenia. Ponadto znajomość zagadnień zderzeń z małymi prędkościami może być przydatna w projektowaniu elementów energochłonnych zderzaków w pojazdach samochodowych. Przyjęty model człowieka i symulacja zderzenia wykonane w programie MATLAB/Simulink tylko w przybliżeniu odzwierciedla ruch manekina w czasie zderzenia. Ma to związek z przyjętymi uproszczeniami np. brakiem luzów, liniowe charakterystyki sprężysto tłumiące pasów bezpieczeństwa). Istotny wpływ mogą mieć także wartości parametrów przyjęte dla poszczególnych elementów modelu. Na podstawie literatury przyjęto dane, odpowiednie dla manekina Hybrid III, stosowanego do zderzeń z prędkościami ok. 50 km/h. Celowym wydaje się przeprowadzenie dodatkowych badań (przy małych przeciążeniach) bezpośrednio z udziałem człowieka i w oparciu o uzyskane wyniki walidowanie modelu. Streszczenie W niniejszym opracowaniu zaprezentowano wyniki próby opracowania prostego modelu ciała człowieka do prowadzenia badań symulacyjnych zderzeń z małymi prędkościami w środowisku MATLAB/Simulink. Przedstawiono model fizyczny będący podstawą do stworzenia modelu matematycznego z zastosowanymi uproszczeniami. Model zweryfikowano poprzez porównanie przebiegów przyspieszeń, prędkości i przemieszczeń poszczególnych części ciała manekina i opracowanego modelu symulacyjnego. Wskazano na zadawalającą wiarygodność modelu odwzorowującego ruchy torsu. Zwrócono jednak uwagę na potrzebę doskonalenia modelu połączenia głowy z torsem oraz połączenia manekina z fotelem (w tym charakterystyk pasów bezpieczeństwa). Modeling the human body during impacts at low speeds Abstract This paper presents the results of attempts to develop a simple model of the human body to conduct 920

7 simulation studies of collisions at low speeds in MATLAB / Simulink. A physical model which is the basis for creating a mathematical model with the applied simplifications is shown. The model was verified by comparison of the acceleration, velocity and displacement of each part of the body of the dummy and the developed simulation model. The paper points out satisfactory accuracy of the model projection of torso movements,. but underlines the need to improve the model of connection of the torso and the head and connection of the dummy and the seat (including the characteristics of seat belts). BIBLIOGRAFIA 1. Jackowski J., Wieczorek M., Żmuda M., Badania obciążeń dynamicznych kierowcy pojazdu podczas zderzenia czołowego. Transport Szynowy 10/2013, s Huang M., Vehicle crash mechanics. CRC Press,New York a56f65-76cc-4989-b3c c2d.pdf b7469d8d-cc7d ecc-42313cd2d13c.pdf d65ac64-eceb-43c5-a15e-c881853f1e9e.pdf 6. A_multi-body_head_and_neck_model_for_low_speed_rear_impact_analysis 921