VIF - OM4IS - Occupant Modelling for Integrated Safety

Numerische Simulationsmethoden spielen eine wichtige Rolle im modernen Entwicklungsprozess von Gesamtfahrzeugen. Deren Einsatz reduziert signifikant die Notwendigkeit von Prototypen und deren Erprobung im Versuch. Dies führt nicht nur zu Reduktion von Entwicklungszeit und kosten, sondern es werden auch Erkenntnisse in der Entwicklung, die aus dem reinen Versuch nicht zu ziehen sind, ermöglicht. Aktuelle Entwicklungsziele der Fahrzeugsicherheit basieren meist auf Einhaltung von Verletzungskriterien von anthropometrischen Versuchspuppen (crash test dummies), die eine mechanische Abbildung des menschlichen Körpers im entsprechenden Belastungsbereich darstellen. Für unterschiedliche Belastungsarten wie Front- Seitencrash gibt es dazu Puppen in unterschiedlichen Größen, die in den entsprechenden Lastfällen eingesetzt werden. In der numerischen Simulation gibt es hierzu entsprechende Modelle verschiedenster Anbieter, die mittlerweile in der Entwicklung intensiv genutzt werden. Ursprünglich wurden diese Modelle mit Methoden der Mehrkörper Simulation entwickelt, in letzter Zeit werden auch Finite Elemente Modelle standardmäßig eingesetzt. Die Simulationsmodelle der Dummies sind aber letztlich nur eine Nachbildung der physischen Versuchspuppe, die wiederum nur eine vereinfachte Nachbildung des menschlichen Körpers darstellen. Deshalb ist die Biofidelity (=Vergleichbarkeit Versuchspuppe zum menschlichen Körper) der Simulationsmodelle bestenfalls gleich wie die der physischen Dummies. Sie bieten in dieser Hinsicht nur eine grobe Abschätzung über das Verletzungsrisiko des tatsächlichen Menschen. Darüber hinaus sind die physischen Puppen nur in standardisierten Körpergrößen (5, 50, 95 Perzentile, verschiedene Kinder) verfügbar und können nur in einigen wenigen standardisierten Positionen im Fahrzeug platziert werden. Sie verfügen über keine Abbildung von Muskelaktivität und können speziell in der Vorkollisionsphase mit niedriger äußerer Belastung auf den Körper nicht auf diese reagieren. Physische Dummies sind in der Regel für eine bestimmte Krafteinwirkung (frontal, seitlich, von hinten) ausgelegt was eine Vereinfachung in Hinblick auf die Belastung im Realunfall darstellt. Diese Belastungsrichtungen und Intensitäten entsprechen denen die der Labor Crashtest vorgibt. Diese genannten Einschränkungen der Dummies und ihren numerischen Nachbildungen begrenzen die Weiterentwicklung von Fahrzeugsicherheitssystemen. Damit sind weitere Reduktionen von Verletzungen (in Hinblick auf Anzahl und Intensität) behindert. Weiters besteht die Gefahr, dass Fahrzeuge auf bestimmte standardisierte Laborversuche optimiert werden, was die Gefahr in sich birgt, dass Insassen nicht optimal geschützt werden können. Die ganze Komplexität von möglichen Unfallszenarien im Versuch darzustellen ist in einer Fahrzeugentwicklung nicht möglich. Modellbildung und numerische Simulation hingegen erlauben eine Untersuchung einer wesentlich größeren Anzahl von komplexen Szenarien und dementsprechende Weiterentwicklung von Fahrzeugsicherheitssystemen. Aspekte wie Körpergröße, Sitzposition, Muskelaktivität und Verhaltensmuster in der Vorkollisionsphase können berücksichtigt werden. Zusätzlich ermöglicht eine detaillierte Modellierung des menschlichen Körpers die Analyse von Verletzungsmechanismen auf der Gewebsebene und die Entwicklung verbesserter Verletzungskriterien. Numerische Insassenmodelle werden in der Zukunft eine Schlüsselrolle in der Entwicklung von virtuellen Testmethoden spielen, was auch für gesetzliche Vorschriften relevant sein wird. Die Hauptzielrichtung des Projektes liegt in der Weiterentwicklung von numerischen Insassenmodellen in Hinblick auf Implementierung der Muskelaktivität, um hiermit den Industriepartnern ein Entwicklungswerkzeug zur Auslegung zukünftiger Sicherheitssysteme zur Verfügung zu stellen. Das hier entwickelte Insassenmodell soll dabei ein reaktives Verhalten in bestimmten Situationen der Vorkollisionsphase mit niedriger äußerer Belastung (z.B. Notbremsung) ermöglichen. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wird eine neutrale Methode zur Implementierung des reaktiven Verhaltens in ein bestehendes Insassenmodell erarbeitet, eine exemplarische Umsetzung und Verifikation der Simulationsmethode erfolgt dabei mit einem numerischen FEM Modell, beispielsweise dem THUMS. Weiters ist mit dem derzeitigen Projektbudget eine eingeschränkte Betrachtung der Handhabbarkeit des verwendeten FEM - Modells mit den Schwerpunkten auf Einsetzprozedur und Positionierung des Modells vorgesehen. Optional soll bei einer möglichen Projektbudgetaufstockung durch zusätzliche Partner auch die Handhabbarkeit der Modelle für die oben genannten Anwendungen deutlich verbessert werden, dazu zählen insbesondere die Positionierung des Insassenmodells im Fahrzeug, die Herstellung einer stabilisierten Gleichgewichtslage unter Einbeziehung der Muskeln, die Entwicklung von Methoden zum Vergleich des Insassenmodells mit der physischen Versuchspuppe, Verbesserung der Ergebnisauswertung und entsprechende Analysewerkzeuge. Zur Demonstration wurden folgende Anwendungsfälle (Use-Cases) vorgeschlagen, die im Laufe des Projekts gegebenenfalls in Abstimmung der beteiligten Partner angepasst werden können: Frontalkollision/Notbremsung Schwerpunkt ist die Pre-Crash Phase, womit im speziellen die Phase der Notbremsung abgedeckt werden soll. Im Fokus sind neben der Beinmuskulatur auch die Arme, die Schulter und der Nacken. Seitenaufprall/Ausweichmanöver Auch hier ist der Fokus in der Vorkollisionsphase, wobei im speziellen ein Spurwechsel oder ein Ausweichmanöver betrachtet werden soll. Komplexe Fahrmanöver wie doppelter Spurwechsel werden nicht betrachtet.