BIOMECHANICZNA ANALIZA WYPADKU SAMOCHODOWEGO Z ZASTOSOWANIEM URZĄDZENIA TYPU HANS PODPIERAJĄCEGO GŁOWĘ ORAZ ODCINEK SZYJNY KRĘGOSŁUPA KIEROWCY

Transkrypt

1 Michał BURKACKI, Kamil JOSZKO, Marek GZIK, Katedra Biomechatroniki, Politechnika Śląska, Zabrze BIOMECHANICZNA ANALIZA WYPADKU SAMOCHODOWEGO Z ZASTOSOWANIEM URZĄDZENIA TYPU HANS PODPIERAJĄCEGO GŁOWĘ ORAZ ODCINEK SZYJNY KRĘGOSŁUPA KIEROWCY Streszczenie: Celem pracy było dokonanie analizy w środowisku MADYMO wypadku samochodu rajdowego z zastosowaniem urządzenia HANS podpierającego głowę oraz odcinek szyjny kręgosłupa kierowcy. Stworzono model odzwierciedlający warunki panujące w samochodzie rajdowym, który został użyty do symulacji zderzenia przy przyspieszeniu 45G. Na podstawie otrzymanych wyników można stwierdzić, iż system HANS ogranicza urazowość głowy oraz odcinka szyjnego kręgosłupa podczas wypadku. Wpływa on na zmniejszenie siły działającej na odcinek szyjny kręgosłupa, ugięcie w odcinku szyjnym kręgosłupa oraz ugięcie klatki piersiowej. Słowa kluczowe: Wypadki samochodowe, HANS, MADYMO. 1. WSTĘP Samochód rajdowy w znacznym stopniu różni się od zwykłego pojazdu pod względem zastosowanych systemów bezpieczeństwa. Wynika to głównie ze zwiększonego prawdopodobieństwa wypadku pojazdu przy dużej prędkości. Jednym z innowacyjnych systemów bezpieczeństwa ostatnich lat jest system HANS podpierający głowę oraz odcinek szyjny kręgosłupa kierowcy. W celu zanalizowania ww. systemu pod względem ograniczenia urazowości głowy oraz szyi stworzono model przy użyciu oprogramowania Madymo. 2. SYSTEM HANS Główną przyczyną zgonów wśród kierowców rajdowych są urazy odcinka szyjnego kręgosłupa. Są one spowodowane gwałtownymi przyspieszeniami działającymi na głowę, podczas gdy korpus zostaje zatrzymany przez pasy bezpieczeństwa. Pęd jednak utrzymuje ruch głowy w przód, powodując również pęknięcia podstawy czaszki i uszkodzenia mózgu. System Hans podczas wypadku utrzymuje prawidłową pozycję głowy w stosunku do całego ciała, przenosząc energię na klatkę piersiową, tułów, ramiona, pasy bezpieczeństwa oraz siedzenie podczas deceleracji głowy. Urządzenie składa się z wyprofilowanej konstrukcji umożliwiającej założenie urządzenia na barki kierowcy (Rys.1), które następnie przypina się paskami do mocowań kasku za pomocą kotw.

2 Rys.1 Urządzenie HANS 3. PROCES MODELOWANIA W celu weryfikacji danych podanych przez producenta urządzenia stworzony został model przy pomocy oprogramowania MADYMO (Rys.2). Oprogramowanie te znajduje szerokie zastosowanie do analizy systemów bezpieczeństwa pasażerów z branży motoryzacjynej i transportowej [2,3,4]. Oprogramowanie zostało opracowane przez holenderską organizację TNO (Organizati1on for Applied Scientific Research) wraz z TASS (Automotive Safety Solutions division). Model odzwierciedla warunki panujące w samochodzie rajdowym. Składa się on z 50-centylowego manekina Hybrid III (o wadze 77.7kg) umiejscowionego w rajdowym fotelu kubełkowym. Manekin został zaimportowany z bazy dostępnych manekinów udostępnionych przez dystybutora oprogramowania Madymo. Model uwzględnia także System Hans wraz z pięciopunktowym systemem pasów bezpieczeństwa. Rys.2 Model w oprogramowaniu Madymo

3 4. WERYWIKACJA MODELU Model został zweryfikowany z filmem z testu zderzeniowego (Rys.3) przy przyspieszeniu 45G przeprowadzonym przez The Center for Advanced Product Evaluation (CAPE) z użyciem manekina Hybrid III odpowiadającego wymiarami oraz masą manekinowi z przeprowadzonej symulacji. Badanie eksperymentalne zostało przeprowadzone w odmiennych warunkach (między innymi brak zastosowania fotela kubełkowego) jednak przemieszczenie głowy jak i ugięcie odcinka szyjnego kręgosłupa są na podobnym poziomie. Rys.3 Porównanie kinematyki modelu z testem zderzeniowym z oraz bez użycia systemu HANS 5.WYNIKI Badania wykazały, iż system HANS zmniejsza przemieszczenie głowy o 12cm, wpływa także na zmniejszenie ugięcia w klatce piersiowej podczas wypadku. System zmniejsza także trzykrotnie siłę działającą na odcinek szyjny kręgosłupa, co jest zgodne z parametrami podanymi przez producenta. Wyniki wykazały również zwiększenie momentu działającego na odcinek szyjny o 10 Nm (Rys.4). Wynika to z,,przytrzymania głowy przez system HANS podczas wypadku.

4 Rys.4 Porównanie wyników symulacji w przypadku zastosowania systemu HANS (kolor czerwony) oraz jego braku (kolor czarny) Badania wykazały, iż system HANS zmniejsza czterokrotnie parametr HIC15 oraz dwukrotnie HIC36 ograniczając w znacznym stopniu urazowość głowy (Rys.5). Zmniejszenie parametru HIC spowodowane jest ograniczeniem działania wysokiego przyspieszenia działającego na głowę kierowcy dzięki zastosowaniu w urządzeniu pasów (łączących Kask z systemem HANS), które wygładzają krzywą przyspieszenia. Parametr HIC od wartości 1000 jednostek oznacza prawdopodobieństwo wystąpienia ciężkich obrażeń głowy według skali MAIS [5]. Rys.5 Wartości kryterium urazowości głowy HIC 15 oraz HIC36 Dzięki przeprowadzonym badaniom zbadano siłę działającą na pasy bezpieczeństwa podczas wypadku (Rys.6). W przypadku braku systemu HANS maksymalna siła działająca na Pas ramienny wyniosła 7000 N. Poprzez zastosowanie systemu HANS siła ta została zmniejszona do wartości 5000 N. Maksymalna siła działająca na pas systemu HANS wyniosła 1000 N.

5 Rys.6 Porównanie sił działających na pasy bezpieczeństwa W ramach pracy przeprowadzono także symulację wypadku, w którym samochód rajdowy ulega zderzeniu pod kątem Symulacja ta została przeprowadzona ze względu na częste występowanie w rzeczywistości wypadków w takich warunkach. (Rys.7). Rys.7 Kinematyka modelu podczas zderzenia pod kątem 45 stopni. System również w tym przypadku ogranicza przemieszczenie głowy oraz ugięcie w odcinku szyjnym kręgosłupa kierowcy (Rys.8). Rys.8 Przemieszczenie głowy oraz ugięcie klatki piersiowej podczas wypadku pod kątem 45 stopni.

6 Podczas zderzenia pod kątem 45 0 system HANS zmniejsza dwukrotnie parametry HIC15 oraz HIC36 (Rys.9). Są one większe niż podczas wypadku czołowego, jednak nadal nie przekraczają wartości 1000 wskazującej na duże prawdopodobieństwo wystąpienia poważnych urazów głowy. Rys.9 Wartości HIC dla zderzenia pod kątem 45 stopni LITERATURA [1] Hubbard, R., P. Begeman, and J. Downing, Biomechanical Evaluation and Driver Experience with the Head and Neck Support, Motor Sports Engineering Conference Proceedings. Volume 1: Vehicle Design Issues. Warrendale, SAE, Dec 1994, p.7-15 [2] Yang Hongying, Yang Jikuang, Optimization of Anti-Whiplash Seat, State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body, Hunan University, Changsha, China 99 [3] Guo Qixin, Yang Jikuang, Zhang Bin, A Study on Protecting of the Far Side Occupants Based on Road Traffic Accident Reconstruction, State Key Laboratory of Advanced and Manufacture for Vehicle Body, Hunan University, Changsha [4] Zhang Yaohui, Ju Chunxian, Yue Guohui, Chen Xianling, Sun Huafeng, Simulation Analysis of the Rear Seat Female in Front Impact, R&D Center of Great Wall Motor Company, Automotive Engineering Technical Center of Hebei Province Hebei Baoding, China [5] MURRAY MACKAY, The increasing importance of the biomechanics of impact trauma Sadhaa Vol. 32, Part 4, August 2007, pp BIOMECHANICAL ANALYSIS OF CAR ACCIDENT WITH APPLICATION OF HANS DEVICE SUPPORTING THE HEAD AND CERVICAL SPINE OF THE DRIVER. Abstract: The aim of this study was to analyze a rally car accident in MADYMO software with use of the HANS device supporting head and cervical spine of the driver. Created model reflects the construction and equipment of a rally car which was used to simulate a 45G accident. Based on the results it can be said that the HANS system reduces trauma of the head and cervical spine during accident. It also reduces force affecting cervical spine, deflection of the cervical spine and chest deflection.