維克弗里斯特大學(xué)基于HyperWorks開(kāi)發(fā)車輛碰撞仿真的人體模型

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

項(xiàng)目介紹

維克弗里斯特大學(xué)(Wake ForestUniversity)是一所在生物醫(yī)學(xué)科學(xué)和生物工程領(lǐng)域領(lǐng)先的研究型大學(xué),為學(xué)生和教師提供了個(gè)人和專業(yè)成長(zhǎng)的優(yōu)異機(jī)會(huì)。

該大學(xué)醫(yī)學(xué)院的損傷生物力學(xué)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(duì)策。自2006以來(lái), CIB的Joel Stitzel 和Scott Gayzik博士一直是全球人體建模協(xié)會(huì)(GHBMC)的主要研究人員,GHBMC是一個(gè)國(guó)際性的協(xié)會(huì),包括汽車制造商、供應(yīng)商、研究型大學(xué)及政府機(jī)構(gòu),旨在提高碰撞仿真中人體建模技術(shù)。

挑戰(zhàn)

計(jì)算模型的建立是損傷生物力學(xué)和創(chuàng)傷研究的一個(gè)不斷增長(zhǎng)的組成部分。詳細(xì)的人體模型的數(shù)學(xué)建模,可以準(zhǔn)確模擬人體在真實(shí)情境中的碰撞損傷情況,有助于進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn),以幫助防止發(fā)生潛在的人體受傷。開(kāi)發(fā)詳細(xì)人體模型的第一步是在數(shù)學(xué)上量化基本的人體器官、骨骼及身體的四肢這些會(huì)受創(chuàng)傷的部分。由此產(chǎn)生的醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)必須準(zhǔn)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(jìn)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(gè)人體模型。最后,整個(gè)人體模型必須在汽車碰撞模擬乘員和行人的影響條件進(jìn)行驗(yàn)證。

解決方案

GHBMC利用Altair HyperMesh和HyperMorph開(kāi)發(fā)詳細(xì)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(xué)鑒定中心(COE)指導(dǎo)下完成開(kāi)發(fā)。每一個(gè)中心的職責(zé)是對(duì)特定的人體結(jié)構(gòu)器官進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和有限元建模。另外成立了一個(gè)COE主要是整合數(shù)據(jù)和每個(gè)子系統(tǒng)的有限元模型,形成一個(gè)完整的人體模型。GHBMC選擇維克弗里斯特大學(xué)的CIB完成大量的人體整體模型的集成鑒定工作。5個(gè)其他的COE都是設(shè)立在國(guó)際領(lǐng)先大學(xué)生物醫(yī)學(xué)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(gè)COE均使用Altair HyperWorks套件,它提供了完整的CAE工具進(jìn)行有限元與耐撞性分析。HyperMesh進(jìn)行人體CAD數(shù)據(jù)的有限元建模,同時(shí)RADIOSS進(jìn)行汽車碰撞仿真驗(yàn)證。整體建模工作的要求特別高,必須整合五個(gè)身體特定區(qū)域的最詳細(xì)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(zhǎng))來(lái)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(zhǎng)),保證整體有限元模型規(guī)模的合理性。

維克弗里斯特大學(xué)基于HyperWorks開(kāi)發(fā)車輛碰撞仿真的人體模型hypermesh培訓(xùn)教程圖片1

M50模型 -2.2百萬(wàn)單元1.3百萬(wàn)節(jié)點(diǎn)

開(kāi)發(fā)大規(guī)模的假人模型和提高仿真效率的過(guò)程

50%的男性乘客(M50)模型已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái),模型為2.2百萬(wàn)個(gè)單元,1.3百萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn),重量76.9公斤。GHBMC M50的模型,通過(guò)在COE合作大學(xué)大量的仿真工作,已被驗(yàn)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(xì),可以模擬碰撞中80%的損傷,同時(shí)在RADIOSS、LS DYNA和PAMCRASH等軟件仿真平臺(tái)上得到了驗(yàn)證。維克弗里斯特大學(xué)用于研究的碰撞包括整車及正面壁障,研究包括18個(gè)模擬案例:9個(gè)正面碰撞,8個(gè)側(cè)面碰撞和1個(gè)翻滾。

GHBMC的一個(gè)重大的挑戰(zhàn)是開(kāi)發(fā)一種方法,有效地將M50建模特點(diǎn)快速應(yīng)用到其他尺寸的假人建模用于碰撞安全性評(píng)價(jià)。建模縮放的方法已被應(yīng)用到維克弗里斯特大學(xué)的團(tuán)隊(duì),將快速開(kāi)發(fā)其他型號(hào)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(cè)量和醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù),進(jìn)行等值面標(biāo)定將M50數(shù)據(jù)對(duì)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(jìn)行表面變形插值。在M50的基礎(chǔ)上開(kāi)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(gè)網(wǎng)格變形操作工具。

開(kāi)發(fā)一個(gè)完整的人體模型的另一個(gè)重要目標(biāo)是要提高模擬效率。已經(jīng)開(kāi)發(fā)了15萬(wàn)變形單元的假人模型,此模型的模擬運(yùn)行時(shí)間為相應(yīng)的詳細(xì)模型的50%。簡(jiǎn)化的模型可以在碰撞中快速評(píng)估運(yùn)動(dòng)響應(yīng),同時(shí)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(jiǎn)化模型的開(kāi)發(fā)工作。“先進(jìn)的網(wǎng)格劃分和網(wǎng)格變形技術(shù)是開(kāi)發(fā)車輛碰撞仿真分析中人體損傷評(píng)估計(jì)算模型的關(guān)鍵。”損傷生物力學(xué)研究中心助理教授Scott Gayzik博士如此說(shuō)到。

結(jié)論

GHBMC今后將重點(diǎn)開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)化的和詳細(xì)的完整的5%、95%男性人體模型,同時(shí)開(kāi)展5%、50%、95%女性對(duì)應(yīng)模型的開(kāi)發(fā)。站立行人的簡(jiǎn)化和詳細(xì)的模型也在計(jì)劃之中。

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