Insassen-Modellierungmit der Finiten-Elemente-Methode zur ... · Sicherheit von Kraftfahrzeugen...

Insassen-Modellierung mit der

Finiten-Elemente-Methode zur

Verbesserung der

Fahrzeugsicherheit

Dr. Katja von Merten

Katja von Merten, 21.01.2009 - 2

Inhalt

� Motivation

� Theoretische Grundlagen

� Entwicklung eines numerischen Menschmodells

� Anwendungsbeispiele numerische Menschmodelle

� Ausblick

� aktueller Forschungsstand

� offene Aufgabenstellungen

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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. 160.000.000.000 € 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

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Numerische Simulation

Crashtest - Crashsimulation

�sehr teuer und aufwändig

�pro Versuch wird ein neues Fahrzeug benötigt

�Versuche streuen stark

Crashtest

Quelle: EuroNCAP

�trotz benötigter CPU-Zeit deutlich günstiger + schneller

�Numerische Stabilität!?

�Parameterstudien

Crashsimulation

Versuch

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Dummy – numerisches Menschmodell

� Menschliche Anatomie� Biologische Material-

beschreibungen� Verletzungen direkt

ablesen

Numerisches MenschmodellCrashtestdummy

� Messpuppe

� Technischen Materialien

Quelle: EuroNCAP

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Motivation

Vorteile Menschmodell gegenüber Dummymodell

� Mensch wird “direkt” abgebildet

� Im Rahmen von Crashsimulationen: weiterführende / tiefergehende Untersuchungen möglich

� Passive Fahrzeugsicherheit kann weiter verbessert werden

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Inhalt

� Motivation

� Theoretische Grundlagen

� Entwicklung eines numerischen Menschmodells

� Anwendungsbeispiele numerische Menschmodelle

� Ausblick

� aktueller Forschungsstand

� offene Aufgabenstellungen

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Theoretische Grundlagen

Interdisziplinäres Forschungs-und Anwendungsgebiet

Anatomie

Verletzungen

VerletzungsmechanikDummys

Crashtests

Simulation

Verletzungskriterien

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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

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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

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Verletzungsbiomechanik

Beispiel: Rippenfrakturen entstehen durch Krafteinwirkung mit anschließender Kompression des Brustkorbs.

Kraft

Horizontaler Schnitt durch Brustkorb & Arme

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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

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Verletzungskriterien

Kompression C

50%

20%

80%

Verletzungswahrscheinlichkeit p

45 Jahre

80 Jahre

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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

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Numerische Simulation

Passive Sicherheit

� Finite-Elemente-Methode (FEM)

� Mehrkörper-Simulation (MKS)

� Modelliert werden müssen:

� Fahrzeug

� Barriere

� Insasse (Dummy-

oder Menschmodell)

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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, …

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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)

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Solving

� Lösung des Gleichungssystem

� Berechnung von

Verschiebungen

Spannungen

Kräften

� Ausgabe des Ergebnisses Ergebnis-

datei

FEM-Prozess

Pre-Processing

� Vernetzen

� Material-beschreibungen

� Definition vonLasten / Randbedingungen

Post-Processing

� Analyse

� Bewerten

Eingabe-datei

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Postprozessoren

� Visualisierung der Ergebnisse

1. Animationen

2. Schnitte

3. Konturplot

4. Kurven

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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)

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Inhalt

� Motivation

� Theoretische Grundlagen

� Entwicklung eines numerischen Menschmodells

� Anwendungsbeispiele numerische Menschmodelle

� Ausblick

� aktueller Forschungsstand

� offene Aufgabenstellungen

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HUMOS Übersicht

� HUman MOdel for Safety

� Europäische Forschungsprojekte (HUMOS und HUMOS 2)

� ca. 89.000 Elemente

� ca. 60.000 Knoten

� Modelliert sind:

� Skelett

� Organsysteme

� Muskeln

Katja von Merten, 21.01.2009 - 23

� 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?

Modellerstellung

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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

Validierungs-Prozess

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Validierung

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� Vergleich von Simulation und Versuch

�Anzahl und Lage Rippenfrakturen

�Brustkompression

Thorax-Validierung

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Versagen mit FEM

Darstellung einer Fraktur mit Hilfe der FEM: „Löschen“ des entsprechenden Elements ab einer

bestimmten Dehnung ε = ∆l/l0

� Element bietet keinen Widerstand

mehr

� Element-Elimination (visuell im

Postprocessing)

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Vergleich Rippen-Frakturen

FEM-SimulationVersuch

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Thorax-Validierung

� Vergleich von Simulation und Versuch

�Anzahl und Lage Rippenfrakturen

�Brustkompression

�

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Brustumfang Kontur

FEM-Simulation horizontaler Schnitt durch den Brustkorb

Versuch Ergebnisse der Messungen

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Thorax-Validierung

� Vergleich von Simulation und Versuch

�Anzahl und Lage Rippenfrakturen

�Brustkompression

�

�

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Inhalt

� Motivation

� Theoretische Grundlagen

� Entwicklung eines numerischen Menschmodells

� Anwendungsbeispiele numerische Menschmodelle

� Ausblick

� aktueller Forschungsstand

� offene Aufgabenstellungen

Katja von Merten, 21.01.2009 - 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

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Verringerung der Verletzungsgefahr des Thorax

∆v = 5m/s

Flache Barriere

Gestufte Barriere

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Verringerung der Verletzungsgefahr des Thorax

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

oben mitte unten

flache Barriere

gestufte Barriere

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

oben mitte unten

flache Barriere

gestufte Barriere

Thoraxkompression

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Ergebnisse

� Rippenbelastung sinkt

� Thoraxkompression sinkt

� Vorzeitige Belastung des Beckens gut für Brustkorb!

� Aktuelles Fahrzeugdesign wurde angepasst.

Verringerung der Verletzungsgefahr des Thorax

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Anwendungsbeispiele

Straßenverkehrssicherheit

Beispiel 2:

� Fahrzeugindustrie

� Funktionsauslegung “Passive Sicherheit”

� Pfahlanprall

Katja von Merten, 21.01.2009 - 38

Pfahlanprall

∆v = 29 km/h

Quelle: EuroNCAP

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Anwendungsbeispiele

Straßenverkehrssicherheit

Beispiel 3:

Entwicklung von Schutzausrüstung für Motorradfahrer

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Motorradfahrersicherheit

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Rekonstruktion

Rekonstruktion

“Kann ein Unfall anhand der im rechtsmedizinischen Gutachten beschriebenen Verletzungen mit Hilfe eines numerischen Mensch-Modells auf Basis der FEM rekonstruiert werden?”

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� Frontalanprall an Mauer

� Kein Gurt, kein Airbag

� ∆v ≈ 40km/h (Quelle: technisches Gutachten)

� Verletzungs-Rekonstruktion:

� Riss der

HauptschlagaderDeformiertes Lenkrad

(Quelle: technisches Gutachten)

Rekonstruktion

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Rekonstruktion

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Rekonstruktion

Anatomie des Herzens und der Hauptschlagader seitliche Ansicht

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Inhalt

� Motivation

� Theoretische Grundlagen

� Entwicklung eines numerischen Menschmodells

� Anwendungsbeispiele numerische Menschmodelle

� Ausblick

� aktueller Forschungsstand

� offene Aufgabenstellungen

Katja von Merten, 21.01.2009 - 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

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Ausblick

� Simulationsaufwand

� 100ms

� Zeitschritt 1µs

⇒ 10.000 mal muss Gleichungssystem gelöst werden

� Menschmodell ca. 60.000 Knoten

� max. 6 Freihheitsgrade / Knoten

⇒ ca. 360.000 Gleichungen

⇒ 16h (Dual Xeon 2,8GHz)

� High Performance Computing

� Parallelisierung

� Schnelle Gleichungslöser

� Optimale Speichernutzung

y

x

z

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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

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Vielen Dank

für Ihre

Aufmerksamkeit!