Model dynamiki uderzenia motocykla w bok samochodu i analiza obciążeń dynamicznych głowy motocyklisty w krytycznej fazie wypadku drogowego

Transkrypt

1 PROCHOWSKI Leon 1 PUSTY Tomasz 2 Model dynamk uderzena motocykla w bok samochodu analza obcążeń dynamcznych głowy motocyklsty w krytycznej faze wypadku drogowego WSTĘP W ostatnch latach można zauważyć, że doskonałym środkem transportu w zatłoczonych mastach staje sę motocykl. Newelka szerokość motocykla w stosunku do szerokośc samochodów osobowych cężarowych oraz możlwość osągana przyspeszeń do 6 9 m/s 2 powodują, że motocyklśc szybko przemeszczają sę po ulcach mast. Jednak wysoke wartośc prędkośc jazdy motocyklstów rosnąca lczba pojazdów (w tym motocykl) sprzyjają powstawanu zagrożena wypadkowego. 1. ANALIZA STANU ZAGADNIENIA Według CARE [1] w 2008 roku 5126 motocyklstów ponosło śmerć w wypadkach na drogach Europy co stanow 14% wszystkch ofar śmertelnych na drogach Europy. Według tego samego źródła motocykle stanową zaledwe 2% pojazdów na drogach Europy, a ch udzał w ruchu drogowym jest jeszcze mnejszy. To pokazuje wysoke ryzyko śmerc w wypadkach drogowych z udzałem motocyklstów, a motocykle należy zalczyć do nebezpecznych środków transportu. Statystyczne ujęce wypadków z udzałem motocyklstów wskazuje, że domnują wypadk, w których motocyklsta uderza w bok samochodu [2, 3]. Analza wypadków drogowych z udzałem motocyklstów jest problemem trudnym, szczególne ze względu na nestablność w utrzymanu równowag motocykla podczas ruchu powypadkowego. Analza przebegu wypadków oraz ch rekonstrukcja często wymaga wsparca poprzez oblczena symulacyjne, zwykle oparte na modelach matematycznych. Wykorzystywane są różnorodne modele, w tym dość wygodne do stosowana modele dyskretne o newelkej lczbe wymaganych danych wejścowych [4, 5]. Jednak w dostępnej lteraturze rzadko są przedstawane wynk prognozowana obcążeń dynamcznych dzałających na motocyklstę podczas wypadku drogowego. 2. CEL PRACY Celem pracy jest analza zagrożeń, które wynkają z rosnącego udzału motocykl w ruchu drogowym jako środka transportu osób. Analze podano wpływ prędkośc jazdy motocyklsty w ruchu mejskm (12,5 21 m/s) oraz początkowego kąta pochylena jego tułowa (25 60 stopn) w chwl uderzena w przeszkodę na obcążena dynamczne głowy. Rozważa sę uderzene w bok samochodu np. na skrzyżowanu ulc. Podstawę tych rozważań stanow opracowany model matematyczny. Model uderzena motocykla w bok samochodu opsuje ruch układu dynamcznego od chwl zetknęca sę koła przednego motocykla z samochodem. 3. MODEL UDERZENIA MOTOCYKLA W BOK SAMOCHODU Mając na uwadze najczęścej występujący rodzaj wypadku motocyklowego, czyl czołowe uderzene motocykla w bok samochodu, do budowy modelu przyjęto klka założeń, m. n.: - model jest płask składa sę z trzech brył (motocykl, motocyklsta, samochód), 1 Wojskowa Akadema Technczna, Wydzał Mechanczny; ul. Gen. S. Kalskego, Warszawa, Polska; Przemysłowy Instytut Motoryzacj, ul. Jagellońska 55, Warszawa, Polska, e-mal: lprochowsk@wat.edu.pl 2 Przemysłowy Instytut Motoryzacj, ul. Jagellońska 55, Warszawa, Polska, e-mal: tomasz.pusty@wp.pl 5421

2 - każda z brył posada trzy stopne swobody, - oddzaływane mędzy bryłam zajmuje ogranczoną powerzchnę (powerzchnę kontaktu), a reakcje w obszarze kontaktu są umejscowone w środku tego kontaktu, - charakterystyk elementów sprężystych tłumących są nelnowe, - wektor prędkośc ruchu motocykla jest prostopadły do os podłużnej samochodu. Bryły obektów ne są ze sobą połączone, mają natomast określone obszary styku. Układem odnesena, w którym rozpatruje sę ruch obektów jest układ OXZ wdoczny na rys Rys Schemat modelu fzycznego motocykla podczas uderzena w samochód 3.1. Równana ruchu Zastosowano zaps symbolczny sł ugęć. Równana równowag zbudowano przy wykorzystanu zasady d Alemberta. Równana ruchu w postac ogólnej są mają następującą postać: w m x F 0 (1) n1 w xn m z F 0 (2) n1 w zn I r F 0 (3) k n1 x, zn gdze: = 3, lczba brył w modelu; m masa -tej bryły; I masowy moment bezwładnośc -tej bryły względem os poprzecznej przechodzącej przez środek masy bryły; x z pochodna rzędu drugego względem czasu przemeszczena pozomego -tej bryły; pochodna rzędu drugego względem czasu przemeszczena ponowego -tej bryły; pochodna rzędu drugego względem czasu kąta obrotu -tej bryły; F xn składowa pozoma sły dzałającej na bryłę; F zn składowa ponowa sły dzałającej na bryłę; r k odległość sły F xn Fzn od os przechodzącej przez środek masy bryły; w lczba sł dzałających na -tą bryłę. gdze u jest ugęcem elementu sprężystego. F f u, u ) (4) x, zn ( x, zn x, zn 5422

3 3.2. Waldacja modelu Wykorzystując równana 1-3 zbudowano model oblczenowy w programe Matlab Smulnk. Parametry modelu odpowadały parametrom obektów badań w eksperymence. W [6, 7, 8] szczegółowo opsano eksperyment jego wynk. Wynk oblczeń w forme grafcznej przedstawono na rys. 3.2 zestawono z odpowednm ujęcam z eksperymentu badawczego. W eksperymence w modelu motocykl uderzył w samochód z prędkoścą V P =13,75 m/s. 0 ms 20 ms 40ms 60 ms 80 ms 100 ms Rys Porównane sylwetek motocyklsty, motocykla samochodu uzyskane w symulacj komputerowej w eksperymence badawczym Na podstawe analzy położena brył w symulacj komputerowej eksperymence badawczym można stwerdzć, że ruch tych brył jest zgodny z przebegem eksperymentu. Klka bardzej szczegółowych nformacj o poprawnośc odwzorowana analzowanego ruchu brył modelu umeszczono w tabel

4 Tab Zestawene przykładowych wynków eksperymentu z oblczenam modelowym Welkość Eksperyment Rezultat oblczeń modelowych Lteratura Kąt położena tułowa motocyklsty w chwl uderzena głowy w samochód Czas od momentu zetknęca koła motocykla z bokem samochodu do chwl uderzena głowy motocyklsty w samochód 58 42,3 Na podstawe [3] oszacowano analzowany kąt, który wynósł 68 0,074 s 0,082 s W [3] podano, że czas ten wynosł 0,1 s dla prędkośc jazdy 40 km/h Maksymalna wartość sły uderzena głowy w samochód 23 kn (przebeg sły poddano fltracj dolnoprzepustowej 10 Hz) 27 kn W [9, 10] podano, że dla prędkośc uderzena 7,5 10 m/s otrzymano wartośc sł kn Składowa pozoma prędkośc głowy motocyklsty w chwl uderzena w samochód; prędkość jazdy 13,75 m/s 14 m/s 7,9 m/s Brak dostępnych danych lteraturowych Maksymalna wartość składowej pozomej przyspeszena środka masy samochodu podczas uderzena motocykla 17 m/s 2 (fltracja j. w.) 25 m/s 2 Brak dostępnych danych lteraturowych Głębokość deformacj samochodu w mejscu uderzena głową Wartość ekstremalna przyspeszena wypadkowego głowy motocyklsty za przedzał 3 ms 0,11 m 0,13 m Brak dostępnych danych lteraturowych 1697 m/s m/s 2 W [11] wartość ta wynosła 1010 m/s 2 dla prędkośc jazdy 50 km/h. W [3] wartość ta wynosła 1471 m/s 2 dla prędkośc jazdy 40 km/h 4. BADANIA PROGNOSTYCZNE 4.1. Wybór zakresu oblczeń Badana prognostyczne dotyczą dwóch obszarów, w których rozważa sę wpływ prędkośc jazdy początkowego kąta pochylena tułowa motocyklsty na obcążena dynamczne głowy podczas wypadku drogowego. Po przeprowadzenu oblczeń w każdym z tych obszarów, w tabelach zestawono uzyskane wartośc charakterystycznych welkośc, a manowce: - kąt położena tułowa motocyklsty w chwl uderzena (φ 1 ), - czas od chwl zetknęca koła motocykla z samochodem do chwl uderzena głową w samochód (t 1 ), - składowa pozoma sły uderzena głowy (F x14 ), - wskaźnk HIC (Head Injury Crteron) oraz przebeg: prędkośc wypadkowej głowy składowej pozomej sły uderzena głowy w samochód. Wskaźnk HIC (Head Injury Crteron) wyznaczono: 5424

5 X a Z HIC ( t 2 t2 aw dt 1 1) t t ( t2 t1) 2,5 dla t 2 t 1 = 36 ms (5) 2 2 aw ax az (6) gdze: a, składowa pozoma ponowa wektora przyspeszena głowy. Wartośc prędkośc jazdy motocykla kąta pochylena tułowa motocyklsty stanową wartośc początkowe w procese rozwazywana równań różnczkowych modelu matematycznego Wpływ prędkośc uderzena na obcążena dynamczne głowy motocyklsty Podczas tych oblczeń wartość początkowa kąta pochylena tułowa motocyklsty wynosła P P 30 przy prędkośc uderzena motocyklsty w samochód V P =12,5 21 m/s. Schemat pomaru tego kąta przedstawono na rys. 4.1, a wynk oblczeń zestawono w tabel 4.1. Na podstawe przebegu składowej pozomej sły uderzena głowy z kaskem motocyklowym w samochód (rys. 4.2) określono czas początku uderzena (t 1 ) narastana sły (F x14 ). Na rys. 4.3 pokazano przebeg prędkośc wypadkowej głowy motocyklsty, chrononej przez kask. Prędkość wypadkową głowy motocyklsty (V GW ) wyznaczono z zależnośc: gdze: V GX, V GZ składowa pozoma ponowa wektora prędkośc głowy. V GW V V (7) 2 GX 2 GZ Rys Schemat pomaru początkowego kąta pochylena tułowa motocyklsty Rys Wynk oblczeń Fx14 Rys Wynk oblczeń V GW 5425

6 Tab Wynk oblczeń analzowanych welkośc dla różnych prędkośc jazdy V P [m/s] 1 [ ] F x14 max [kn] t 1 [s] HIC 12,5 44,4 26 0, ,0 41,9 25 0, ,75 42,3 27 0, ,0 39,9 29 0, ,0 35,1 40 0, ,0 35,1 50 0, ,0 33,8 56 0, Wartość t 1 [s] w tabel 4.1 jest według opsu zależnośc (5). Na podstawe przeprowadzonych oblczeń, można prognozować, że obcążena dynamczne głowy motocyklsty w analzowanym przypadku mogą być śmertelne przy prędkośc jazdy (początkowej) wynoszącej V P = 14 m/s (wskaźnk HIC blsk jest wartośc grancznej 1000), a ryzyko ch występowana rośne szybko wraz ze wzrostem prędkośc jazdy Wpływ kąta pochylena tułowa motocyklsty na obcążena dynamczne głowy Podczas oblczeń przyjęto początkową wartość prędkośc motocykla V P =13,75 m/s 19 m/s. Początkowy kąt pochylena motocyklsty wynosł odpowedno: 25, 30, 40, 50, 60. Wynk oblczeń zestawono w tabel 4.2 pokazano na rys Tab Wynk oblczeń analzowanych welkośc dla klku wartośc kąta pochylena tułowa motocyklsty V P [m/s] P [ ] 1 [ ] t 1 [s] F x14 max [kn] HIC 25 42,4 0, ,3 0, , ,1 0, ,8 0, ,6 0, ,7 0, ,1 0, ,2 0, ,7 0, ,2 0, Rys Wynk oblczeń F x14 dla V P =13,75 m/s Rys Wynk oblczeń V GW dla V P =13,75 m/s 5426

7 Rys Wynk oblczeń F x14 dla V P =19 m/s Rys Wynk oblczeń V GW dla V P =19 m/s Wartość kąta pochylena tułowa motocyklsty wpływa na jego obcążena dynamczne głowy podczas wypadku drogowego. Przy prędkośc jazdy wynoszącej V P =13,75 m/s kące położena tułowa 25 głowa motocyklsty uderza w samochód z słą 26 kn. Natomast zwększene kata P pochylena do P 60 powoduje, że głowa uderza w samochód z słą 39 kn. Zatem przy zwększenu kąta pochylena tułowa o 35, sła uderzena wzrosła o 50 %. Zwększene prędkośc jazdy do V P =19 m/s powoduje, że przy wyżej podanej zmane kąta pochylena torsu sła uderzena wzrasta z 58 kn do 84 kn, czyl o 45 %. PODSUMOWANIE Przeprowadzona analza ruchu motocyklsty po uderzenu w bok samochodu osobowego dała możlwość oceny czynnków, wpływających na obcążena dynamczne głowy motocyklsty w krytycznej faze wypadku drogowego. Korzystając ze zbudowanego modelu matematycznego uderzena motocykla w bok samochodu przeprowadzono analzę wpływu prędkośc jazdy motocyklsty kąta pochylena tułowa na obcążena dynamczne głowy. Na podstawe przedstawonych wynków oblczeń można stwerdzć, że śmertelne obcążena dynamczne motocyklsty mogą powstać już przy prędkośc wynoszącej V P =14 m/s (wówczas ekstremalne wartośc obcążena dynamcznego głowy motocyklsty osągają 27 kn, a wartość wskaźnka HIC blska jest 1000). Początkowe pochylene tułowa motocyklsty wpływa w zasadnczy sposób na czas jak upływa od chwl początku styku koła motocykla z samochodem do chwl uderzena głowy motocyklsty w samochód. Zwększene kąta pochylena tułowa o 35 powoduje wzrost sły uderzena o 50 % przy prędkośc jazdy V P =13,75 m/s o 45 % przy V P =19 m/s. Streszczene Przedstawono analzę zagrożeń wynkających z rosnącego udzału motocykl w ruchu mejskm. Rozpatrzono wpływ prędkośc oraz pozycj zajmowanej przez motocyklstę podczas jazdy na obcążena dynamczne głowy, które powstają podczas uderzena w bok samochodu. Problem rozpatrzono na podstawe analzy dynamk dyskretnego modelu matematycznego ruchu brył podczas wypadku drogowego. Model poddano waldacj opartej na wynkach testu zderzenowego. Na podstawe przeprowadzonych oblczeń wyznaczono m.n. przebeg sły uderzena oraz prędkośc głowy. Charakterystyczne wartośc obcążeń głowy zestawono w tabelach, z których wynka, że śmertelne obcążena dynamczne głowy motocyklsty mogą powstać już przy prędkośc jazdy ok. 14 m/s. Przeprowadzona analza ruchu motocyklsty po uderzenu w bok samochodu osobowego dała możlwość oceny czynnków, wpływających na obcążena dynamczne głowy motocyklsty w krytycznej faze wypadku drogowego. Słowa kluczowe: ruch drogowy, motocykl, wypadk drogowe, modelowane 5427

8 Model of the dynamcs of a motorcycle mpact aganst a motor car sde and analyss of the dynamc loads actng on motorcyclst s head n the crtcal phase of such an accdent Abstract An analyss of the hazards posed by the ncreasng partcpaton of motorcycles n the urban traffc has been presented. The nfluence of rdng speed and motorcyclst s poston durng rde on the dynamc loads actng on hs/her head durng an mpact aganst a motor car sde was examned. The problem exploraton was based on an analyss of the dynamcs of a dscrete mathematcal model representng the moton of solds durng a road collson. The model was valdated on the grounds of crash test results. The analyss ncluded computatonal determnng of the mpact force and head velocty vs. tme curves. The characterstc head load values have been tabulated; t can be seen from the data n the tables that the dynamc loads capable of causng fatal njures may occur at motorcycle veloctes beng as low as about 14 m/s. The analyss of motorcyclst s body moton followng an mpact aganst a motor car sde made t possble to evaluate the factors that can affect the dynamc loads actng on motorcyclst s head n the crtcal phase of a road accdent of ths knd. Keywords: road traffc, motorcycle, road accdents, modellng BIBLIOGRAFIA 1. CARE European Road Accdent Database, Fataltes by transport mode n EU countres. Brüssel, Dezember 2009; 2. Zelńska A., Motocyklśc rosnący problem na polskch drogach, Bezpeczeństwo Ruchu Drogowego, Redakcja BRD Instytut Transportu Samochodowego Nr 2/2009 r.; 3. Serre T., Masson C., Perrn C., Martn J. L., Moskal A., Llar M., The motorcyclst mpact aganst a lght vehcle: Epdemologcal, accdentologcal and bomechanc analyss Accdent Analyss and Preventon 49 (2012) ; 4. Neboer J. J., Wsmans J., Versmssen A. C. M., Van Slagmaat M. T. P., Kurawak I., Ohara N., Motorcycle crash test modellng, SAE Techncal Paper , 1993; 5. Happan-Smth J., Macaulay M. A., Chnn B. P., Motorcycle Impact Smulaton and Practcal Verfcaton, Proceedngs of the 11th Internatonal Techncal Conference on Expermental Safety Vehcles (ESV) May 12-15, 1987; Washngton; 6. Prochowsk L., Pusty T.: Analyss of motorcyclst s body movement durng a motorcycle mpact aganst a motor car sde, Journal of KONES Powertran and Transport, 2013 r.; 7. Prochowsk L., Pusty T.: Charakterystyka obrotu unoszena motocykla po uderzenu w bok samochodu, Archwum Motoryzacj Vol. 58, No. 4/2012, Wydawnctwo Naukowe PIMOT; 8. Prochowsk L. Pusty T.: Analza ruchu deformacj motocykla oraz samochodu w początkowej faze ch prostopadłego zderzena, Logstyka 6/2014 (nr 6/2014 numer ISSN ); 9. Pnnoj K. P., Hader Z., Mahajan P.: Desgn of motorcycle helmets: Computatonal Flud and Impact analyss. Internatonal Journal of Crashworthness, 2008, 13 (3): Pnnoj P. K., Bourdet N., Mahajan P., Wllnger R.: New motorcycle helmets wth metal foam shell IRCOBI Conference Proceedngs, September 2008, Bern (Swtzerland); 11. Murr, R. Scherhetsgurt für Motorräder - Lösungsansätze, Schutzpotenzal und Crashergebnsse. Verkehrsunfall und Fahrzeugtechnk 45 (2007); 12. Regulamn nr 22 EKG ONZ (korekta 5) - Jednolte przepsy dotyczące homologacj hełmów ochronnych ch wzjerów dla kerowców pasażerów motocykl motorowerów (Suplement 2 do ser poprawek 05 - data wejśca w życe: 26 lpca 2012). 5428