每年有无数人死于交通事故。为了提高车辆乘员的安全性,几十年来使用假人进行碰撞测试已经成为一种习惯。这些碰撞测试假人越来越多地得到虚拟支持,以计算机模型的形式,模拟人类在碰撞前的防御行为。夫琅和费高速动力学研究所(Fraunhofer Institute for speed Dynamics)、恩斯特马赫研究所(ernst - machi - institut)和电磁干扰研究所(EMI)的研究人员在碰撞模拟中使用虚拟人体模型,得出关于受伤风险的更现实的结论。在他们的计算中,研究人员特别关注肌肉僵硬,这在以前的研究中没有考虑到。
车辆乘客本能地采取防守行动,为影响的影响做好准备。它们紧张着肌肉,在驾驶员的情况下,将自己靠在方向盘上,同时将脚保持在制动踏板上。这种行为影响了事故的结果。因为传统的崩溃测试假人无法对即将发生的崩溃作出反应,所以它们不能用于模拟人类行为。因此,在汽车行业中,数字计算机模型越来越多地用于有限元(FE)模拟,以便在事故发生之前不久再现乘员的姿势,从而提高汽车的安全性。“肌肉系统对车辆乘客在事故发生前以及在碰撞期间的身体运动方面的反应很大。与僵硬和运动学禁止的碰撞试验假人相比,可能会有很大的临时分歧,“弗劳恩霍夫EMI科学家Matthias Boljen博士说。
这位工程师和他的团队使用数字人体模型作为有限元模拟的一部分。在最近的有限元测试中,他们在评估乘员安全性时关注的是肌肉刚度。研究人员调查了肌肉僵硬变化对人体运动学的影响,这意味着开辟了新的科学领域。以前的研究只是通过人体模型中的肌肉收缩来模拟运动产生,而没有模拟伴随肌肉收缩而来的肌肉僵硬。“如果司机在碰撞前撑起方向盘,这不仅会使肌肉缩短,而且会因收缩而变得僵硬。”在之前的整个身体模型的单个肌肉和肌肉群的有限元模拟中,肌肉收缩的影响完全被忽略了,”研究者解释说。
Boljen的同事Niclas Trube解决了这一遗漏,他在调查中使用了THUMS (Total Human Model for Safety)第五版。他定义了四种不同的刚度状态,并在模拟正面碰撞中测试了这些变化的影响。得出的结论是,肌肉刚度对车辆乘员的行为具有决定性的影响。根据刚度的不同,在事故中可能会有不同类型的损伤。
“这一发现可能对人类模型的进一步发展,特别是对自动驾驶汽车进行了重大重要性。将来将重新设计车内内饰,这意味着还必须重新评估现有的安全带和安全气囊概念。人类模型是这样做的宝贵工具,“Trube说。
增加道路安全要求
数字人体模型还可以用于保护行人和骑自行车的人。最近的研究表明,在这方面采取行动的必要性,这些研究证明,电动自行车带来的令人吃惊的危险情况正在增加。从今年晚些时候开始,电动摩托车将被允许在德国的公共道路上行驶。交通专家担心事故会进一步增加。利用人体模型,可以提前调查事故的情况。根据防御行为,可以测试产生的应力的频率和强度。警卫、头盔和其他防护设备的制造商可以从这些建议中受益。
然而,人体如何对机械应力作出反应,这不仅对运输部门感兴趣,而且是各种医学和符合人体工程学的关注。当植入物和假肢在突然压力下施加时,如何与人骨骼表现如何?电动工具的振动如何影响用户?“人类模型非常适合这样的应用,因为我们可以与他们创造现实的虚拟模型,以与实验相同的方式无法实现的东西,”Boljen说。