Insassen-Modellierung mit der Finiten-Elemente-Methode zur Verbesserung der Fahrzeugsicherheit. Dr. Katja von Merten

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1 Insassen-Modellierung mit der Finiten-Elemente-Methode zur Verbesserung der Fahrzeugsicherheit Dr. Katja von Merten

2 Inhalt Motivation Theoretische Grundlagen Entwicklung eines numerischen Menschmodells Anwendungsbeispiele numerische Menschmodelle Ausblick aktueller Forschungsstand offene Aufgabenstellungen Katja von Merten,

3 Motivation Seit den 1950er Jahren: sinkende Zahl an Unfallopfern im Straßenverkehr über 5000 Verkehrstote pro Jahr (Deutschland) im Schnitt 15 pro Tag! Volkswirtschaftlich: Folgekosten ca pro Jahr (Europa) Sicherheit von Kraftfahrzeugen Aktive Sicherheit: Vermeidung von Unfällen (z.b. ABS, ESP) Passive Sicherheit: Verringerung der Verletzungswahrscheinlichkeit durch Airbag, Sicherheitsgurt, Gurtstraffer, etc. Crashtests und -simulationen zur Verbesserung der passiven Sicherheit von Fahrzeugen Katja von Merten,

4 Crashtest - Crashsimulation Versuch Crashtest sehr teuer und aufwändig pro Versuch wird ein Quelle: EuroNCAP neues Fahrzeug benötigt Versuche streuen stark Numerische Simulation Crashsimulation trotz benötigter CPU-Zeit deutlich günstiger + schneller Numerische Stabilität!? Parameterstudien Katja von Merten,

5 Dummy numerisches Menschmodell Crashtestdummy Messpuppe Technischen Materialien Numerisches Menschmodell Menschliche Anatomie Biologische Materialbeschreibungen Verletzungen direkt ablesen Quelle: EuroNCAP Katja von Merten,

6 Motivation Vorteile Menschmodell gegenüber Dummymodell Mensch wird direkt abgebildet Im Rahmen von Crashsimulationen: weiterführende / tiefergehende Untersuchungen möglich Passive Fahrzeugsicherheit kann weiter verbessert werden Katja von Merten,

7 Inhalt Motivation Theoretische Grundlagen Entwicklung eines numerischen Menschmodells Anwendungsbeispiele numerische Menschmodelle Ausblick aktueller Forschungsstand offene Aufgabenstellungen Katja von Merten,

8 Theoretische Grundlagen Interdisziplinäres Forschungsund Anwendungsgebiet Simulation Crashtests Dummys Anatomie Verletzungen Verletzungsmechanik Verletzungskriterien Katja von Merten,

9 Anatomie: Brustkorb (Thorax) Knöcherner Brustkorb: Brustwirbelsäule (12 Wirbel) 12 Rippenpaare Brustbein Schlüsselbein Schulterblatt Organe: Herz (roter Pfeil) und Hauptschlagader (Aorta - gelber Pfeil) Lunge (blauer Pfeil) Quelle: Sobotta Katja von Merten,

10 Thoraxverletzungen Verletzungen der knöchernen Strukturen (z.b. Rippen) Verletzungen der Lunge Verletzungen des Herzens Verletzungen der großen Gefäße (z.b. Riss der Hauptschlagader) Quelle: Sobotta Katja von Merten,

11 Verletzungsbiomechanik Beispiel: Rippenfrakturen entstehen durch Krafteinwirkung mit anschließender Kompression des Brustkorbs. Horizontaler Schnitt durch Brustkorb & Arme Kraft Katja von Merten,

12 Verletzungskriterien Verletzungskriterien: Zusammenhang zwischen Vorgang (Ursache) und Verletzung (Wirkung) Beispiel: Wahrscheinlichkeit p von Rippenfrakturen in Abhängigkeit von Kompression C und Alter a Kuppa et al., Development of Side Impact Thoracic Injury Criteria and Their Application to the Modied ES-2 Dummy with Rib Extensions (ES-2re)., 2003 Katja von Merten,

13 Verletzungskriterien Verletzungswahrscheinlichkeit p 80% 50% 20% 45 Jahre 80 Jahre Kompression C Katja von Merten,

14 Theoretischer Hintergrund Fahrzeugindustrie Verletzungskriterien zur Vorhersage von Verletzungswahrscheinlichkeiten anhand von Dummy-Messgrößen - z.b. Brusteindrückung Kopfbeschleunigung Festlegung von Grenzwerten z.b. EuroNCAP: C < 15% Quelle: EuroNCAP Katja von Merten,

15 Numerische Simulation Passive Sicherheit Finite-Elemente-Methode (FEM) Mehrkörper-Simulation (MKS) Modelliert werden müssen: Fahrzeug Barriere Insasse (Dummyoder Menschmodell) Katja von Merten,

16 Finite-Elemente-Methode FEM numerisches Berechnungsverfahren zur Lösung partieller Differentialgleichungen Diskretisierung Ersatzweise Berechnungen der gesuchten Größen an den Knotenpunkten System von linearen Differentialgleichungen Berechnung von z.b. Verschiebungen, Temperaturverlauf, Katja von Merten,

17 FEM Anwendungen - Beispiele Automobilindustrie z.b.: Crashsimulationen Entfaltung von Airbags Lebensdauer Bauingenieurwesen z.b.: Wind- oder Schneebelastungen Wirkung von Erdbeben Medizin z.b.: Blutströmung bei künstlichen Herzklappen Sitz Gelenkimplantate (patientenspezifisch auf Basis von CT / Kernspin) Katja von Merten,

18 FEM-Prozess Ergebnisdatei Pre- Processing Solving Materialbeschreibungen Post- Processing Vernetzen Definition von Lasten / Randbedingungen Eingabedatei Lösung des Gleichungssystem Berechnung von Verschiebungen Spannungen Kräften Ausgabe des Ergebnisses Analyse Bewerten Katja von Merten,

19 Postprozessoren Visualisierung der Ergebnisse 1. Animationen 2. Schnitte 3. Konturplot 4. Kurven Katja von Merten,

20 Mehr-Körper-Simulation MKS Starre geometrische Segmente (häufig: Ellipsoide) Gelenke zwischen Segmenten Berechnung von Kinematik und Kräften an Gelenken und Kontakten Vorteil: schneller als FEM Nachteil: weniger detailliert Insassenkinematik Fußgängerkinematik Mehrkörper-Menschmodell von TNO (Madymo) Katja von Merten,

21 Inhalt Motivation Theoretische Grundlagen Entwicklung eines numerischen Menschmodells Anwendungsbeispiele numerische Menschmodelle Ausblick aktueller Forschungsstand offene Aufgabenstellungen Katja von Merten,

22 HUMOS Übersicht HUman MOdel for Safety Europäische Forschungsprojekte (HUMOS und HUMOS 2) ca Elemente ca Knoten Modelliert sind: Skelett Organsysteme Muskeln Katja von Merten,

23 Modellerstellung Geometrie: 50%-Mann 175cm 75,5 kg 91,5cm (sitzend) biologischen Materialeigenschaften aus Literatur und aus Versuchen innerhalb der Projekte Validierung: Rechnet das Modell richtig? Katja von Merten,

24 Validierungs-Prozess 1. Durchführen von Versuchen 2. Durchführen von entsprechenden Simulationen 3. Vergleich Versuchs- und Simulations- Ergebnisse 4. If: Stimmen Ergebnisse nicht überein? 5. Then: Anpassen des Modells 6. Goto 2: 7. Else: STOP Modell ist validiert Katja von Merten,

25 Validierung Katja von Merten,

26 Thorax-Validierung Vergleich von Simulation und Versuch Anzahl und Lage Rippenfrakturen Brustkompression Katja von Merten,

27 Versagen mit FEM Darstellung einer Fraktur mit Hilfe der FEM: Löschen des entsprechenden Elements ab einer bestimmten Dehnung ε = l/l 0 Element bietet keinen Widerstand mehr Element-Elimination (visuell im Postprocessing) Katja von Merten,

28 Vergleich Rippen-Frakturen Versuch FEM-Simulation Katja von Merten,

29 Thorax-Validierung Vergleich von Simulation und Versuch Anzahl und Lage Rippenfrakturen Brustkompression Katja von Merten,

30 Brustumfang Kontur Versuch Ergebnisse der Messungen FEM-Simulation horizontaler Schnitt durch den Brustkorb Katja von Merten,

31 Thorax-Validierung Vergleich von Simulation und Versuch Anzahl und Lage Rippenfrakturen Brustkompression Katja von Merten,

32 Inhalt Motivation Theoretische Grundlagen Entwicklung eines numerischen Menschmodells Anwendungsbeispiele numerische Menschmodelle Ausblick aktueller Forschungsstand offene Aufgabenstellungen Katja von Merten,

33 Verringerung der Verletzungsgefahr des Thorax Straßenverkehrssicherheit Beispiel 1: Verletzungsgefahr des Thorax beim Seitenaufprall Kann durch eine vorzeitige Belastung des Beckens das Verletzungsrisiko beim Seitenaufprall für den Thorax gesenkt werden? Mensch-Modell zur Beantwortung besser geeignet als Dummy-Modell Katja von Merten,

34 Verringerung der Verletzungsgefahr des Thorax v = 5m/s Flache Barriere Gestufte Barriere Katja von Merten,

35 Verringerung der Verletzungsgefahr des Thorax Thoraxkompression 30% 25% flache Barriere gestufte Barriere 30% 25% flache Barriere gestufte Barriere 20% 20% 15% 15% 10% 10% 5% 5% 0% oben mitte unten 0% oben mitte unten Katja von Merten,

36 Verringerung der Verletzungsgefahr des Thorax Ergebnisse Rippenbelastung sinkt Thoraxkompression sinkt Vorzeitige Belastung des Beckens gut für Brustkorb! Aktuelles Fahrzeugdesign wurde angepasst. Katja von Merten,

37 Anwendungsbeispiele Straßenverkehrssicherheit Beispiel 2: Fahrzeugindustrie Funktionsauslegung Passive Sicherheit Pfahlanprall Katja von Merten,

38 Pfahlanprall v = 29 km/h Quelle: EuroNCAP Katja von Merten,

39 Anwendungsbeispiele Straßenverkehrssicherheit Beispiel 3: Entwicklung von Schutzausrüstung für Motorradfahrer Katja von Merten,

40 Motorradfahrersicherheit Katja von Merten,

41 Rekonstruktion Rekonstruktion Kann ein Unfall anhand der im rechtsmedizinischen Gutachten beschriebenen Verletzungen mit Hilfe eines numerischen Mensch-Modells auf Basis der FEM rekonstruiert werden? Katja von Merten,

42 Rekonstruktion Frontalanprall an Mauer Kein Gurt, kein Airbag v 40km/h (Quelle: technisches Gutachten) Verletzungs- Rekonstruktion: Riss der Deformiertes Lenkrad (Quelle: technisches Gutachten) Hauptschlagader Katja von Merten,

43 Rekonstruktion Katja von Merten,

44 Rekonstruktion Anatomie des Herzens und der Hauptschlagader seitliche Ansicht Katja von Merten,

45 Inhalt Motivation Theoretische Grundlagen Entwicklung eines numerischen Menschmodells Anwendungsbeispiele numerische Menschmodelle Ausblick aktueller Forschungsstand offene Aufgabenstellungen Katja von Merten,

46 Ausblick Heute Zulassunguntersuchungen (Homologation) mit realen Fahrzeugen daher Einsatz von numerischen Menschmodellen nicht möglich Zukünftig: Virtual testing EU-Forschungsprojekte => Einsatz numerischer Menschmodelle möglich FEM Mensch-Modellierung Spezifische Validierung Altersabhängigkeit (Material / Geometrie) Versagenskriterien für manche Organe fehlen Katja von Merten,

47 Ausblick Simulationsaufwand 100ms Zeitschritt 1µs mal muss Gleichungssystem gelöst werden Menschmodell ca Knoten max. 6 Freihheitsgrade / Knoten ca Gleichungen 16h (Dual Xeon 2,8GHz) High Performance Computing Parallelisierung Schnelle Gleichungslöser Optimale Speichernutzung Katja von Merten, x z y

48 Ausblick Simulationsumgebung Benutzerfreundlichkeit Workflow-Management Automatisches Vernetzen Datenmanagement Komprimierung der Daten Numerik Robustheit der Simulation (z.b. Umgang mit numerische Instabilitäten) Konvergenz Vergleichbarkeit von Ergebnissen (z.b. Kurven) Optimierung Katja von Merten,

49 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Katja von Merten,