prof. dr hab. inż. Marek Gzik, prof. zw. w Pol. Śl. Katedra Biomechatroniki Wydział Inżynierii Biomedycznej Politechnika Śląska R E C E N Z J A

Transkrypt

1 prof. dr hab. inż. Marek Gzik, prof. zw. w Pol. Śl. Katedra Biomechatroniki Wydział Inżynierii Biomedycznej Politechnika Śląska Gliwice r. R E C E N Z J A rozprawy doktorskiej mgr inż. Artura Muszyńskiego zatytułowanej Modelowanie i badania fotelika bezpieczeństwa w aspekcie zmniejszenia obciążeń dynamicznych działających na ciało dziecka podczas wypadku drogowego 1. Zakres rozprawy Statystyki wypadków drogowych oraz odnoszone w nich urazy są główną inspiracją kierunków rozwoju systemów biernej poprawy bezpieczeństwa w pojazdach. Największe osiągnięcia poziomu bezpieczeństwa dotyczą kierowcy i osób dorosłych podróżujących na przednich fotelach samochodów osobowych. To właśnie na tej grupie producenci przede wszystkim koncentrują swoją uwagę, inwestując znaczne środki doskonalące konstrukcje pojazdów. Cechy budowy antropometrycznej oraz właściwości mechaniczne struktur tkanek biologicznych dzieci istotnie różnią się od osób dorosłych. Fakt ten w związku z przystosowaniem systemów bezpieczeństwa biernego do optymalnej ochrony przed urazami 50-centylowych osobników dorosłych sprawia, że nadal dużym wyzwaniem jest poprawa bezpieczeństwa dzieci podczas wypadków drogowych. Foteliki to podstawowy element bezpieczeństwa dzieci przewożonych w samochodach, wymagany przepisami prawa o ruchu drogowym. Kryterium wzrostu do 150 cm decyduje o konieczności stosowania fotelików, niemniej jednak dobór właściwego fotelika dla dziecka jest w gestii opiekunów. Foteliki znajdujące się w ofercie na rynku reprezentują zróżnicowaną jakość i poziom standardów bezpieczeństwa. Właściwie dobrany fotelik w sposób istotny wpływa na ochronę dzieci przed urazami podczas wypadków drogowych. Źle dobrany natomiast może być źródłem zagrożenia nawet w przypadku zderzenia przy stosunkowo niskich prędkościach. Z uwagi na wymienione okoliczności wybór tematu pracy doktorskiej uważam za aktualny i niezwykle istotny z punktu widzenia potrzeby poprawy bezpieczeństwa dzieci przewożonych w pojazdach drogowych. Wiedza z tego zakresu jest niepełna i wymaga prowadzenia dalszych badań. Doktorant sformułował następujący cel pracy: "Opracowanie numeryczno - eksperymentalnej metody badania fotelika bezpieczeństwa jako narzędzia do wykorzystania w pracach mających na celu zmniejszenie obciążeń dynamicznych ciała dziecka podczas wypadku drogowego". 1

2 Zakres zrealizowanych zadań obejmował: wytypowanie metod modelowania numerycznego, najbardziej efektywnych z punktu widzenia odwzorowania procesu zderzenia, opracowanie metodologii badawczej podczas testów stanowiskowych wykorzystujących obciążenia dynamiczne, opracowanie modelu MES głównych elementów systemu podtrzymujacego, przeprowadzenie badań materiałowych elementów użytych w konstrukcji systemu podtrzymującego, dobór wartości parametrów w aspekcie uzyskania poprawnego rozwiązania numerycznego - weryfikacja modeli, wykonanie symulacji numerycznych odwzorowujących badania stanowiskowe, wytypowanie wielkości charakterystycznej dla badanego procesu pozwalającego na porównanie wyników analiz numerycznych z badaniami stanowiskowymi i przeprowadzenie walidacji wybranych procedur numerycznych, opracowanie metody badań interakcji układu manekin dziecka - system bezpieczeństwa biernego pojazdu w czasie wypadku drogowego, a szczególnie podczas uderzenia w bok pojazdu dla określenia najistotniejszych czynników decydujących o powstaniu i wielkości obrażeń u dzieci. Rozprawa doktorska obejmuje 150 stron tekstu wraz z bibliografią w liczbie 79 pozycji, aktami normatywnymi i prawnymi w liczbie 18 oraz 8 stronami internetowymi. Praca podzielona została na 6 rozdziałów wraz z podrozdziałami. Recenzowana rozprawa mieści się w szeroko pojętej dyscyplinie naukowej mechanika, w specjalności biomechanika. 2. Ocena merytoryczna rozprawy W rozdziale pierwszym Doktorant przedstawił szeroko rozumiany problem bezpieczeństwa w aspekcie obowiązujących przepisów normatywnych standaryzujących wymagania techniczne związane z bezpieczeństwem pojazdów drogowych. W pracy zawarte zostały dane statystyczne dotyczące wypadków drogowych w zależności od rodzaju zdarzenia drogowego jak i kierunku działania wymuszenia. Przedstawione zostały również dane Komendy Głównej Policji dotyczące liczby ofiar uczestniczących w wypadkach w grupie dzieci i młodzieży w Polsce do lat 14. Rozdział zawiera ponadto przegląd literatury z zakresu zachowania się fotelików bezpieczeństwa w warunkach zderzenia w aspekcie możliwości wprowadzenia zmian w ich konstrukcji mających na celu zmniejszenie średnich wartości obciążeń dynamicznych oddziaływujących na ciało dziecka. Opisane wyniki prac uwzględniają metody symulacji komputerowej oraz wyniki testów eksperymentalnych. W pracy zawarto krótki opis dwóch obecnie obowiązujących regulaminów homologacyjnych, na podstawie których uprawniona jednostka techniczna przeprowadza badania dostarczonych przez producenta urządzeń przytrzymujących dla dzieci. Doktorant opisał również najważniejsze kryteria oceny urządzeń przytrzymujących w aspekcie zapewnienia wymaganego poziomu bezpieczeństwa dziecka, z uwzględnieniem wartości obciążeń dynamicznych zarejestrowanych w czasie testów eksperymentalnych dla manekina dziecka. Według Autora wprowadzona procedura badawcza 2

3 według nowych wytycznych zawiera pewne ograniczenia. Z tego też powodu w pracy zawarto uwagi dotyczące procedury homologacji urządzeń przytrzymujących według nowych obowiązujących wytycznych. Ocena aktualnego stanu wiedzy, wyciągnięte na tej podstawie słuszne wnioski były podstawą sformułowania celu pracy. W rozdziale drugim Doktorant przedstawił wyniki przeprowadzonych badań identyfikacyji materiałów, z których wykonane są elementy konstrukcyjne fotelika bezpieczeństwa w celu ich uwzględnienia w modelu numerycznym. Wyniki ww. badań uwzględniają wrażliwości na szybkość odkształceń. Badania właściwości materiałowych podzielono na elementy wykonane z polipropylenu, elementy wykonane ze stali oraz na elementy zintegrowanych pasów bezpieczeństwa. Dla elementów wykonanych z polipropylenu przeprowadzono próby statycznego jednoosiowego rozciągania próbek wiosełkowych o przekroju prostokątnym. W wyniku przeprowadzonych testów eksperymentalnych, uzyskano wartości parametrów wytrzymałościowych polipropylenu, które przedstawiono w postaci tabeli. Dodatkowo w pracy Doktorant zamieścił porównanie wyników badań materiałowych polipropylenu przy rejestracji odkształceń za pomocą ekstensometru. Przeprowadzone badania przy różnej prędkościach odkształceń wykazały dużą wrażliwość materiału w przypadku obciążeń dynamicznych. Dla elementów zintegrowanych pasów bezpieczeństwa przeprowadzone zostały badania rozciągania wąskich i szerokich próbek z pomiarem odkształceń przy użyciu wideoekstensometru na podstawie których wyznaczono parametry wytrzymałościowe. W rozdziale trzecim przedstawiony został wybór metody obliczeniowej MES i jej opis w aspekcie charakteru opisywanego układu mechanicznego. Przytoczone zostały podstawowe rozważania analiz opisywanych zjawisk fizycznych. Opisano dane materiałowe przyjęte dla poszczególnych elementów składowych fotelika z wyszczególnieniem dostępnych modeli w systemie LS-Dyna. Zawarto opis geometrii modelu badawczego z podziałem na elementy składowe, które poddane zostały dyskretyzacji. W rozdziale zawarty został opis zastosowanych elementów skończonych wraz z opisem zagadnień kontaktu w ujęciu numerycznym MES. Przedstawiono sposób modelowania połączeń śrubowych oraz zintegrowanych pasów bezpieczeństwa fotelika. W celu oszacowania ilościowych błędów wynikających z przyjętego sposobu modelowania przeprowadzono walidację modelu numerycznego. Porównane zostały wyniki szeregu symulacji numerycznych, odpowiadających kolejnym konfiguracjom eksperymentalnym. Proces walidacji modelu numerycznego podzielony został na statyczne badania eksperymentalne fotelików dziecięcych zrealizowane z wykorzystaniem maszyny wytrzymałościowej oraz próby przeprowadzone w warunkach dynamicznych. Wyniki badań eksperymentalnych zrealizowano dla wymuszenia działającego w kierunku prostopadłym oraz równoległym do płaszczyzny symetrii fotelika bezpieczeństwa. Wyniki zarejestrowane podczas testów eksperymentalnych porównano z wynikami symulacji komputerowej. Na podstawie przeprowadzonej analizy porównawczej można jednoznacznie stwierdzić, że wyniki symulacji numerycznych z wystarczającą dokładnością odwzorowują wyniki prób eksperymentalnych. Rozdział czwarty obejmuje przegląd literatury z zakresu biomechaniki ciała dziecka w tym również w odniesieniu do osoby dorosłej. Część przedstawionych prac dotyczy problemów związanych z modelowaniem głowy człowieka w aspekcie oceny stopnia możliwych obrażeń podczas wypadku. Odrębną grupę publikacji stanowią prace dotyczące mechanizmów urazów szyi podczas wypadków drogowych i ich konsekwencji dla życia człowieka. Według Autora z czym również się zgadzam w przypadku dzieci zagadnienie to jest znacznie trudniejsze do oceny. 3

4 W pracy opisano manekiny dziecka z uwzględnieniem ich numerycznych odpowiedników, jako podstawowych narzędzie do badań bezpieczeństwa dzieci w pojazdach. Zawarto opis nowej serii manekinów Q dających większe możliwości badawczych. Opisano uwarunkowania normatywne wykorzystane w pracy, jako kryteria oceny skuteczności wprowadzonych zmian konstrukcyjnych urządzenia przytrzymującego ze względu na wytyczne zawarte w Regulaminie 129 EKG ONZ. Źródła wiedzy normatywnej były podstawą ustalenia kryteriów oceny przez porównanie przebiegów przyspieszenia głowy oraz tułowia manekina dziecka w funkcji czasu. Ponadto uwzględnione zostały kryteria dotyczące obciążeń zarejestrowanych w odcinku szyjnym kręgosłupa manekina oraz wartości siły w pasie bezpieczeństwa. W rozdziale piątym Doktorant przedstawił wyniki badań modelowych MES układu manekin dziecka - fotelik bezpieczeństwa w czasie wypadku drogowego. Warunki testów oraz kryteria oceny przyjęte dla badań były zbieżne z wymogami homologacyjnymi obowiązującymi dla urządzeń przytrzymujących służących do przewożenia dzieci w pojazdach samochodowych. Ustalono testy referencyjne dla zderzenia czołowego i bocznego oraz testy, które pozwoliły na określenie wpływu zmian konstrukcyjnych wprowadzanych w modelu na wartość obciążeń dynamicznych działających na ciało dziecka w czasie wypadku. Stanowisko do badań dynamicznych odwzorowano na podstawie wytycznych zawartych w nowo obowiązującym Regulaminie 129 EKG ONZ. Proces symulacji numerycznych obejmował etap usadowienia manekina w foteliku bezpieczeństwa i umieszczenie fotelika na kanapie oraz realizacje próby dynamicznej. Dla rozpatrywanego przypadku zderzenia czołowego wprowadzone modyfikacje dotyczyły zmiany naciągu wstępnego zintegrowanych pasów bezpieczeństwa oraz zmiany parametrów materiałowych elementów wykonanych z polipropylenu. Dla zderzenia bocznego wprowadzono zmiany w geometrii oraz parametrach materiału zagłówka. Przeprowadzona analiza pokazuje, że poprawne stosowanie metody MES pozwala na uzyskanie wyników symulacji numerycznych układu manekin dziecka - fotelik bezpieczeństwa zgodnych z wynikami pomiarów stanowiskowych. Wyniki analizy pokazują, że poprzez modyfikację konstrukcji fotelika bezpieczeństwa można zmniejszyć wartości obciążeń dynamicznych oddziaływujących na ciało dziecka przewożonego w pojeździe podczas wypadku. W rozdziale podsumowujący wyniki prac Autor przedstawił dojrzałą analizę relacji pomiędzy obciążeniem dynamicznym działającym na ciało dziecka a poziomem bezpieczeństwa podczas wypadku. Zrealizowana praca i przeprowadzone badania eksperymentalno - modelowe, oprócz spełnienia głównego celu, a więc opracowania odpowiedniej metody modelowania fotelika bezpieczeństwa, pozwoliły na sformułowanie szeregu cennych wniosków dotyczących metodyki i procedur, a także wniosków odnoszących się do konkretnych etapów badań które zawarte zostały w pracy. 3. Uwagi do pracy Praca dotyczy złożonych i trudnych zagadnień, co zrodziło kilka pytań i wątpliwości: Uwaga ogólna: Doktorant zakłada w pracy ambitny cel opracowanie metody badań modelowoeksperymentalnych dziecięcych fotelików, która to metoda mogłaby stać się standardem badań certyfikujących foteliki z opcją dopuszczeniem do sprzedaży. Przeglądając pracę zrealizowanych zostało wiele cennych badań, niemniej jednak zabrakło syntetycznego opisu na czym ta metoda 4

5 miałaby polegać, jaki konkretnie zakres badań przy jakich założeniach należy przeprowadzić i to co najważniejsze, jakie kryteria fotelik dla zdefiniowanych badań powinien spełniać? Ponadto cel kojarzy się z metodami optymalizacji, w tym przypadku zmniejszeniem obciążeń działających na ciało dziecka podczas wypadków drogowych. Czynniki, które o tym decydują to przede wszystkim fotelik jego geometria, materiał i sposób mocowania, jak również pasy bezpieczeństwa ich geometria, mocowanie i rodzaj materiału. Przy czym geometria fotelika to nie tylko zagłówek. Kształt siedziska i oparcie ma również istotne dla wyników badań znaczenie. W pracy jedynie część czynników była analizowana. Dlaczego Doktorant wybrał spośród wymienionych kilka czynników, jaka była tego przesłanka? Jak metoda zaproponowana przez Doktoranta ma się do wytycznych homologacji fotelików wg. Regulaminu 44 EKG ONZ? Uwagi szczegółowe: Str rys.1.2 przedstawia wypadki z udziałem dzieci w wieku 0-6 lat, można odnieść wrażenie, że wśród kierowców są juz dzieci w tym wieku. Wykresy w próbach rozciągania w rozdziale drugim prezentowane są na wykresach, gdzie na osi rzędnych opisane są naprężenia inżynierskie, w zupełności wystarczy opisać "naprężenia". W rozdziale trzecim występuje niekonsekwencja w oznaczeniach osi układu związanego z fotelikiem osie x i y na rysunkach 3.16 oraz Mam pewne wątpliwości w przypadku rys.3.18 czy pod działaniem siły (jak na rysunku) i w wyniku przesunięcia stempla o 150mm rozstaw punktów zaznaczonych na rysunku zmienił się o około 100mm? Co konkretnie przedstawiają rysunki: od 3.27 do Rozstaw między innymi punktami pokazuje rysunek na czerwono, natomiast co innego przedstawia wykres. Czy z rysunku wynika również plastyczny charakter odkształceń fotelika? Czy Doktorant walidację modelu manekina Q3 oparł jedynie na przesłankach wynikających z jego komercyjnej wersji? Str. 101 proponowałbym używać terminu kończyna dolna w zastępstwie potocznie używanego przez Doktoranta określenia "noga". Rys co na rysunku należy rozumieć jako wymuszenia kinematyczne? Jakie warunki symulacji (jakie wymuszenia) zastosowano dla symulacji w rozdziale 5.4.1? W rozdziale piątym weryfikację modelu dziecka na foteliku (rys ) przeprowadzono zgodnie z przypadkiem nr. 1 (rys.5.38). W tym miejscu pokazane zostały przebiegi dla szerokiego zagłówka. Natomiast wyniki prezentowane na rysunkach 5.40, 5.41, 5.44, 5.46, 5.47 wskazują te same przebiegi jako zgodne z przypadkiem nr. 3 czyli z "cienkim zagłówkiem", gdzie zatem wystąpił błąd? W pracy Doktorant słusznie zastosował Hed Injury Criterion HIC36, a nie HIC15 bardziej odpowiedni dla wysokoenergetycznych wymuszeń, niemniej jednak o wyniku istotnie decyduje wybór przedziału czasowego w którym liczona jest wartość kryterium. Tabela 40 jak również 41 wskazuje na duże różnice HIC w analizowanych przypadkach szczególnie nr1i do 161 oraz 219 do 156. Z wykresów przebiegów przyspieszeń ta różnica wydaje się nie tak istotna. Uwagi krytyczne nie umniejszają osiągnięć Autora, często mają charakter dyskusji naukowej. Ponadto należy stwierdzić, że praca została zredagowana niezwykle starannie i zgodnie z zasadami przygotowania rozpraw o charakterze naukowym. Szczególnie wyróżnić należy 5

6 szeroki zakres prac badawczych oraz dojrzałą dyskusje naukową jaką Doktorant przeprowadziła w pracy. 4. Wniosek końcowy Doktorant w ramach pracy zrealizował unikatowe w skali kraju badania modelowe poparte cennym eksperymentem. Ze względu na szeroki zakres obejmowanej tematyki, praca doktorska wnosi nowe walory poznawcze i utylitarne. Bardzo wysoko oceniam dojrzałość naukową Doktoranta, szczególnie co do umiejętności realizacji i wyboru kierunków prowadzonych badań, szczególnie w tak trudnych zagadnieniach jak biomechaniczne aspekty urazów u dzieci jako konsekwencje wypadków drogowych. Doktorant wykazała się umiejętnością właściwego przygotowania warsztatu naukowego, przeprowadził badania poprzez eksperyment z wykorzystaniem nowoczesnej aparatury badawczej. Zatem uważam, że przedłożona do oceny rozprawa doktorska Pana mgra inż. Artura Muszyńskiego zatytułowana Modelowanie i badania fotelika bezpieczeństwa w aspekcie zmniejszenia obciążeń dynamicznych działających na ciało dziecka podczas wypadku drogowego odpowiada w pełni wymogom stawianym pracom doktorskim w myśl ustawy i na tej podstawie stawiam wniosek Wysokiej Radzie Wydziału Mechanicznego Wojskowej Akademii Technicznej o dopuszczenie jej do publicznej obrony. Ponadto z uwagi na wyżej wymienione walory pracy oraz fakt, iż Doktorant wykazała się wiedzą i doświadczeniem znacznie wykraczającym poza standardowe kryteria stawiam Wysokiej Radzie wniosek o wyróżnienie pracy. Recenzent 6