維克弗里斯特大學基于HyperWorks開發(fā)車輛碰撞仿真的人體模型

2016-11-22 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

項目介紹

維克弗里斯特大學(Wake ForestUniversity)是一所在生物醫(yī)學科學和生物工程領(lǐng)域領(lǐng)先的研究型大學,為學生和教師提供了個人和專業(yè)成長的優(yōu)異機會。

該大學醫(yī)學院的損傷生物力學中心(CIB)研究汽車碰撞造成的損傷,更加深入了解損傷人體的耐受性,幫助工程師制定更加健全的安全對策。自2006以來, CIB的Joel Stitzel 和Scott Gayzik博士一直是全球人體建模協(xié)會(GHBMC)的主要研究人員,GHBMC是一個國際性的協(xié)會,包括汽車制造商、供應(yīng)商、研究型大學及政府機構(gòu),旨在提高碰撞仿真中人體建模技術(shù)。

挑戰(zhàn)

計算模型的建立是損傷生物力學和創(chuàng)傷研究的一個不斷增長的組成部分。詳細的人體模型的數(shù)學建模,可以準確模擬人體在真實情境中的碰撞損傷情況,有助于進行設(shè)計改進,以幫助防止發(fā)生潛在的人體受傷。開發(fā)詳細人體模型的第一步是在數(shù)學上量化基本的人體器官、骨骼及身體的四肢這些會受創(chuàng)傷的部分。由此產(chǎn)生的醫(yī)學圖像數(shù)據(jù)必須準確地代表了一系列的汽車乘員:成人(男性和女性)、幼兒(3-6歲)和嬰兒。其次,人體數(shù)據(jù)必須進行離散化,以產(chǎn)生精確的一系列的有限元(FE)模型,這些不同的身體系統(tǒng)的有限元模型,集成為整個人體模型。最后,整個人體模型必須在汽車碰撞模擬乘員和行人的影響條件進行驗證。

解決方案

GHBMC利用Altair HyperMesh和HyperMorph開發(fā)詳細的有限元模型,根據(jù)大量的掃描數(shù)據(jù)建立人體器官、組織和骨骼系統(tǒng)。所有數(shù)據(jù)是在GHBMC指定的大學鑒定中心(COE)指導下完成開發(fā)。每一個中心的職責是對特定的人體結(jié)構(gòu)器官進行計算機輔助設(shè)計和有限元建模。另外成立了一個COE主要是整合數(shù)據(jù)和每個子系統(tǒng)的有限元模型,形成一個完整的人體模型。GHBMC選擇維克弗里斯特大學的CIB完成大量的人體整體模型的集成鑒定工作。5個其他的COE都是設(shè)立在國際領(lǐng)先大學生物醫(yī)學研究中心,他們分別完成的頭部、頸部、胸部、腹部和下肢的身體部位的建模。每一個COE均使用Altair HyperWorks套件,它提供了完整的CAE工具進行有限元與耐撞性分析。HyperMesh進行人體CAD數(shù)據(jù)的有限元建模,同時RADIOSS進行汽車碰撞仿真驗證。整體建模工作的要求特別高,必須整合五個身體特定區(qū)域的最詳細的有限元模型。整合模型的挑戰(zhàn)之一是連接界面,如頭部和頸部的連接區(qū)域要采用小單元(5mm毫米單元邊長)來確保單元間好的連續(xù)性和質(zhì)量。類似的挑戰(zhàn)發(fā)生在骨盆的界面處,采用更大的單元(10毫米單元邊長),保證整體有限元模型規(guī)模的合理性。

維克弗里斯特大學基于HyperWorks開發(fā)車輛碰撞仿真的人體模型hypermesh培訓教程圖片1

M50模型 -2.2百萬單元1.3百萬節(jié)點

開發(fā)大規(guī)模的假人模型和提高仿真效率的過程

50%的男性乘客(M50)模型已經(jīng)開發(fā)出來,模型為2.2百萬個單元,1.3百萬個節(jié)點,重量76.9公斤。GHBMC M50的模型,通過在COE合作大學大量的仿真工作,已被驗證在碰撞中有38%的損傷。其中包括顱骨和面骨骨折、椎間盤損傷、肋骨骨折、肝、脾損傷、骨盆及髖部骨折、腿部骨折。該模型十分精細,可以模擬碰撞中80%的損傷,同時在RADIOSS、LS DYNA和PAMCRASH等軟件仿真平臺上得到了驗證。維克弗里斯特大學用于研究的碰撞包括整車及正面壁障,研究包括18個模擬案例:9個正面碰撞,8個側(cè)面碰撞和1個翻滾。

GHBMC的一個重大的挑戰(zhàn)是開發(fā)一種方法,有效地將M50建模特點快速應(yīng)用到其他尺寸的假人建模用于碰撞安全性評價。建?？s放的方法已被應(yīng)用到維克弗里斯特大學的團隊,將快速開發(fā)其他型號的假人。他們的工作是整理了大量的M50數(shù)據(jù),包括外部測量和醫(yī)學影像數(shù)據(jù),進行等值面標定將M50數(shù)據(jù)對應(yīng)到M95(95%的男性)模型的相應(yīng)位置。采用薄板樣條函數(shù)進行表面變形插值。在M50的基礎(chǔ)上開發(fā)更多的有限元假人模型的工作是在HyperMorph中完成,HyperMorph是HyperMesh中的一個網(wǎng)格變形操作工具。

開發(fā)一個完整的人體模型的另一個重要目標是要提高模擬效率。已經(jīng)開發(fā)了15萬變形單元的假人模型,此模型的模擬運行時間為相應(yīng)的詳細模型的50%。簡化的模型可以在碰撞中快速評估運動響應(yīng),同時乘員有限元模型在車輛內(nèi)部易于定位。維克森林科已完成基于M50的簡化模型的開發(fā)工作?！跋冗M的網(wǎng)格劃分和網(wǎng)格變形技術(shù)是開發(fā)車輛碰撞仿真分析中人體損傷評估計算模型的關(guān)鍵?！?/span>損傷生物力學研究中心助理教授Scott Gayzik博士如此說到。

結(jié)論

GHBMC今后將重點開發(fā)簡化的和詳細的完整的5%、95%男性人體模型,同時開展5%、50%、95%女性對應(yīng)模型的開發(fā)。站立行人的簡化和詳細的模型也在計劃之中。

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