Моделирование аварии пассажирского автобуса

Данный проект был сделан с участием мировых специалистов ESI Group. Основное решение, которое было использовано - Virtual Perfomance Solution (бывший Pam-Crash). Автомобильная отрасль всегда была ключевой для ESI, поэтому в этом направлении мы можем показать так много ярких и интересных кейсов.

Моделирование поведения пассажира автобуса во время аварии с использованием виртуальной модели человека

На сегодня существует очень много систем активной и пассивной безопасности пассажиров, которые разрабатываются исключительно на математических моделях. Целью данного проекта было внедрение методологии моделирования аварийных ситуаций для автобусов, в том числе для оценки травматизма пассажиров. Нужно было определить какие элементы интерьера автобуса представляют опасность и как можно оптимизировать внутреннее пространство для снижения вероятности получения травм (чтобы в будущем делать все на этапе проектирования и избегать затрат на доработку изделий после их производства). 

В данной работе использовали модель Virthuman - масштабируемая виртуальная модель человеческого тела, в которой можно учитывать пол, возраст, вес, рост и другие отличительные особенности (например, задать модель беременной женщины). Модуль Virthuman от ESI отличается "вычислительной эффективностью" - позволяет использовать до 99 пассажиров в одной модели без увеличения времени расчета.

Статистическое распределение травм пассажиров во время аварий

Пассажир транспортного средства относительно хорошо защищен по сравнению с другими участниками дорожного движения (находящимися вне машины/автобуса). Но травмы пассажиров все же могут произойти, даже на относительно низкой скорости. Как правило травмируют голову и позвоночник).

Виды травм позвоночника и травм головы в результате ДТП показаны на рисунках справа.

Описание реального дорожно-транспортного происшествия с городским автобусом

В качестве примера аварии для оценки биомеханической нагрузки было выбрано и использовано реальное лобовое столкновение городского автобуса NB18 длиной 18 м (производства SOR Libchavy, Чешская Республика) со столбом дорожного знака. Этот несчастный случай произошел в январе 2016 года в Братиславе (SK). После резкого ухудшения самочувствия (вероятно, сердечного приступа) женщины-водителя автобус NB18 съехал с дороги и фронтально врезался в столб. Столба пронзил лобовую часть автобуса, как острый нож (Рис.2). В результате аварии пострадало 16 человек, в том числе водитель автобуса.

Описание травм пассажиров:

• В общей сложности 16 раненых;
• 8 человек в больнице, с наиболее сложными переломами большеберцовой кости и травмами головы;
• Одна женщина получила серьезную травму живота;

Фотографии с места происшествия представлены на рисунке 3,4. На рис. 5 представлен схематичный чертёж городского автобуса NB18. 

Продольное ускорение - точки 1 и 2 (фильтр CFC6)

Начальная скорость удара была равна 35 км/ч. Оценка производилась с помощью тахографа.

График возможного ускорения транспортного средства во время столкновения показан на рисунке 6 - измерен в 2 точках оси во время последующего компьютерного моделирования. На Рис. 6 представлен график возможного ускорения транспортного средства во время столкновения

Конечно-элементная модель автобуса:

Модель автобуса строилась, на основе имеющихся данных с испытаний других моделей, для которых проводилась реальная верификация на основе эксперимента при следующих параметрах:

• Упрощенный каркас автобуса с фронтальными амортизаторами;
• Лобовое столкновение с жестким барьером на скорости до 30 км/ч;
• 6 HSC с частотой дискретизации 1000 снимков в секунду;
• Измерение тензометрическим датчиком в зонах аварийных коробок;
• Акселерометрическое измерение;
• Инструментальный III 50% манекен водителя;
• Два муляжа пассажиров с инструментами.

Валидационное испытание модели FE, проведенное путем полномасштабного лобового столкновения

Рис. 8. - Модель автобуса для испытаний.

Сравнение результатов моделирования лобового столкновения транспортного средства со скоростью 30 км/ч исходной версии с новой версией, включающей амортизаторы удара представлены на рисунке 9, 10.

Рис. 9. Сравнение результатов моделирования старой и новой версии модели автобуса

Рис. 10. Сравнение результатов моделирования старой и новой версии модели автобуса

Пики ускорения и нагрузка на ось уменьшаются с 15 G до 9,5 G.

Пассажиры автобуса представлены с помощью модели Virthuman. Модель объединяет базовую многокорпусную конструкцию с деформируемыми сегментами, что приводит к сокращению времени расчета. Каждый сегмент многокорпусной конструкции содержит определенные части поверхности, которые связаны с сегментом нелинейных пружин, представляющими поведение соответствующих мягких тканей. 

Модель Virthuman оснащена постпроцессором, позволяющим автоматически оценивать критерии травмы. Для каждого сегмента записываются такие характеристики, как ускорения, перемещения и усилия. Критерии травматизма рассчитываются на основе стандартных определений EuroNCAP.

Рис. 11-14 - Виртуальный человек – масштабируемая модель человека MBS

Схемы рассадки пассажиров и описание их отличительных особенностей были взяты исходя из реальной аварийной ситуации. В общей сложности подготовлено 6 мужчин и 6 женщин.

Несмотря на множество инновационных систем безопасности ТС,  несчастные случаи с последствиями для здоровья все еще происходят. Моделирование играет всё большую роль в разработке и тестировании систем. Инженерные команды по всеми миру находят новые решения по совершенствованию конструкций ТС и ускорении вариантов моделирования и тестирования автомобилей и автобусов. Команда "Нова-Инжиниринг" обладает всеми необходимыми компетенциями  данной области и готовы помочь предприятиям РФ в вопросах разработки.

Результаты моделирования в данном проекте показали значительное преимущество использования модели Virthuman для оптимизации интерьера автобуса с точки зрения безопасности. Его можно использовать для оценки сценариев, которые вряд ли можно было бы протестировать с помощью обычных манекенов или даже других инструментов моделирования.