MODELOVÁNÍ PÁDOVÉ ZKOUŠKY HELMY V ANSYS LS DYNA

MODELOVÁNÍ PÁDOVÉ ZKOUŠKY HELMY V ANSYS LS DYNA Autoři: Doc. Ing. Michal MICKA, CSc., Ústav mechaniky a materiálů, ČVUT PRAHA FAKULTA DOPRAVNÍ, e-mail: micka@fd.cvut.cz Prof. Ing. Josef JÍRA, CSc., Ústav mechaniky a materiálů, ČVUT PRAHA FAKULTA DOPRAVNÍ, e-mail: jira@fd.cvut.cz Doc. Ing. Jitka JÍROVÁ, CSc., Ústav mechaniky a materiálů, ČVUT PRAHA FAKULTA DOPRAVNÍ, e-mail: jirova@fd.cvut.cz Anotace: Tlumící schopnost ochranné cyklistické přilby při pádu se zkouší experimentálně pádovou zkouškou. Z naměřených hodnot zrychlení v těžišti makety hlavy se odvozuje HIC kritérium, kterým se vyjadřuje úroveň tlumících vlastností ochrany hlavy před účinky přetížení. Pádovou zkoušku lze simulovat numericky v programu LS DYNA. Model makety hlavy je vytvořen podle zkušební normy, model helmy z 3D skenování pro tři varianty bez zpevnění povrchu, se zpevněním vnějšího či celého povrchu. Z výsledků zjištěných zrychlení při modelování pádového testu jsou určeny hodnoty kritéria HIC. Annotation: Dampening capability of the protective bicycle helmet during fall is proved experimentally by drop test. From measured values of acceleration in gravity centre of the dummy head it derives HIC criterion, which represent level of the dampening quality protection of the head against effects of overloading. Drop test can be simulated numerically by LS DYNA programme. Model of the dummy head is created in accordance with test standards, model of the helmet is made out from 3D scanning for three model variants without hardening of the surface, with hardening outer or over all surface. Values of the HIC criteria are determinated from estimated results of accelerations during the drop test simulation. Úvod Mezi nejčastější a nejvážnější zranění při cyklistice patří poranění hlavy. Statistiky zřetelně ukazují, že používání cyklistických přileb může předejít v 80 % vážnému poranění hlavy a přitom 75 % všech úmrtí cyklistů je způsobeno úrazem hlavy. Lidský mozek je uložen a chráněn lebečním skeletem. Při nárazu hlavou na překážku dojde k většímu či menšímu poškození skeletu a různé druhy energie zároveň působí na tkáň mozku. Přilba při nárazu pohlcuje energii impaktu mechanismem destrukce a změny tvaru pěnové výplně přilby, která se u většiny přileb nevrátí do původního stavu. Cyklistická přilba je tvořena skeletem z tuhé 1

pěny, která vytváří rozbitnou a absorpční hmotu přilby. Tento skelet je pokryt skořápkou plnící několik funkcí. První funkce je tvarová pomáhá udržovat tvar přilby a držet pěnu pohromadě při nárazu. Dále zlepšuje klouzavost přilby při srážce a zabraňuje tak náhlému přilnutí pěnového materiálu s okolím. Další funkce je ochrana pěnové výplně před oděrem a poškozením při běžném užívání a samozřejmě zvyšuje estetickou hodnotu přilby. U levnějších provedení je skořepina pouze nasazena nebo přilepena na vnější ploše pěny. U kvalitnějších přileb je využívána In-Mold konstrukce, kdy je pěna vstříknuta pod tlakem do skořepiny. Obě konstrukční části jsou tím pevně spojeny. U konstrukce Double In-Mold je skořepina i z vnitřní strany či týlové prodloužené části. Trendem poslední doby jsou vnitřní výztuhy ve skeletu přilby nejčastěji formou kompozitové, termoplastické či hliníkové kostry. Biomechanické kritérium poškození hlavy Nejčastěji používaným kritériem pro posouzení poranění hlavy při testech vozidel je kritérium HIC (Head Injury Criterion). Vstupem jsou zrychlení měřená akcelerometry v těžišti hlavy figuríny, algoritmem výpočtu je upravený integrál z výsledného zrychlení v určitém časovém intervalu. Výsledná hodnota HIC by neměla překročit hodnotu 1000, která vznikla historicky vývojem výzkumu poranění hlavy z hlediska působících zrychlení. t2 1 HIC t 2 t1 2 1 1 a t dt t t t kde a(t) je výsledné zrychlení hlavy v násobcích G, t 2, t 1 jsou hraniční hodnoty časového intervalu, v němž dosahuje HIC nejvyšších hodnot. Délka časového okna se bere 36 ms, pro analýzu tvrdého nárazu hlavy se bere 15 ms. Výzkum a testování helem: Zkoušení přileb je dáno příslušnými předpisy státu, v našem případě je to ČSN EN 1078, která se týká cyklistických přileb. Zkouší se mimo jiné odolnost proti rázu a schopnost tlumení nárazu. Schopnost tlumení helmy se zkouší v padostroji. Na obrázku je uveden padostroj ve Zkušebně pasivní bezpečnosti Ústavu silniční a městské dopravy, a.s., Praha. Do helmy je vložena maketa hlavy o váze 5kg a oba díly jsou usazeny do klece padostroje ve výšce 2 m. Ve vybrání makety hlavy je osazen oscilometr. Maketa hlavy s helmou padá volným pádem i klecí na připravený terč. Při dopadu se měří změny zrychlení, které se dále vyhodnotí. 2,5 max 2 Obrázek 1. Padostroj

Výzkum a testování helem na schopnost tlumení rázu můžeme rozdělit na dva přístupy. Tím prvním jsou experimentální zkoušky provedené např. v padostroji. Druhým je numerické modelování rázové zkoušky v programu ANSYS LS-DYNA. Tvorba modelu makety hlavy Pro experimentální výzkum se používá maketa hlavy daná normou ČSN EN 960 Změna A1 83 2140 Maketa hlavy pro měření ochranných přileb, která udává základní velikosti modelu a ve formě tabulek data obvodu makety hlavy v jednotlivých rovinných řezech rovnoběžných se vztažnou rovinou (viz obrázek 2) pro jednotlivé velikosti přileb (velikost přilby je dána vnitřním obvodem). Podle stejné normy lze vytvořit numerický model hlavy pro počítačovou simulaci pádové zkoušky v ANSYS LS DYNA [2]. Obrázek. 2. Normový tvar makety hlavy Tvorba modelu cyklistické přilby z 3D skenování Pro tvorbu modelu konkrétní cyklistické přilby lze použít 3D skenování. Pro získání grafických formátů cyklistické přilby byl použit nekontaktní ruční 3D laserový skener HandyScan, který vytvořil digitální popis cyklistické helmy ve formátu stl. Model ve formátu stl byl dále upraven a převeden na model vhodný pro ANSYS, který je popsán křivkami, plochami i celým objemem helmy a sítí elementů [1]. Obrázek 3. Úprava STL modelu 3

napětí [MPa] Obrázek 4. Postup tvorby modelu z výstupních dat skenování Materiály Skelet helmy je proveden z EPS (extrudovaný polystyren) a do výpočtu modelu v programu ANSYS LS DYNA je zaveden jako tuhá pěna s materiálovým modelem crushable foam, u kterého se nepředpokládá cyklické zatěžování. V tomto modelu se dále předpokládá izotropní materiál a konstantní modul pružnosti po celý proces zatěžování. V oblasti tlaku je vztah mezi objemovou deformací a jednosměrným napětím řízen pracovní křivkou, v oblasti tahu se předpokládá zrcadlová závislost jen do dané hodnoty pevnosti v tahu. Určit závislost napětí na objemové deformaci je obtížné a proto byl použit graf podle [4] pro EPS s objemovou hmotností 100 kg/m 3 (obr.5). Další charakteristiky materiálu byly převzaty z [4]. Materiálové charakteristiky EPS zavedené do výpočtu: objemová hmotnost 101 kg/m 3, Poissonovo číslo 0,2, pevnost v tahu 1,3 MPa a koeficient tlumení 0,2 (v ANSYS doporučeno 0,05-0,5). Skořápka je podle [3] provedena z plastu ABS (akrylonitril-butadien-styren) v tloušťce 0,4 mm, s modulem pružnosti E 3000 MPa Poissonovým číslem 0, 4 a objemovou hmotností 3 m 1040 kg/m. Mez kluzu materiálu je 60 MPa, mez pevnosti je 70 MPa. Pro výpočet byl použit bilineární pružnoplastický model a modul aby meze pevnosti bylo dosaženo pro 1. 4 6 5 4 3 2 1 180 kg/m 3 140 kg/m 3 100 kg/m 3 80 kg/m 3 64 kg/m 3 50 kg/m 3 25 kg/m 3 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 ET deformace Obrázek 5. Závislost napětí na deformaci pro EPS 10,2 MPa byl určen tak,

Terč pro droptest je ze dřeva s modulem pružnosti 0,2. Maketa hlavy je navržena z hliníku s modulem pružnosti číslem 0, 3 a objemovou hmotností makety tak, aby hmotnost makety odpovídala 5,0 kg. E 10000 MPa a Poissonovým číslem E 70000 MPa a Poissonovým 3 m 1211,18kg/m, která byla upravena dle objemu Model hlavy a helmy pro droptest Pro numerickou simulaci droptestu makety hlavy s cyklisticku helmou byly sestaveny tři modely model s helmou bez zpevnění povrchovou skořápkou, model se zpevněním skořápkou na vnějším povrchu helmy a model se zpevňující skořápkou po celém povrchu helmy. Obrázek 6. Geometrický a konečnoprvkový model celé sestavy Počáteční podmínky byly nastaveny tak, aby odpovídaly průběhu experimentu. V LS DYNA se simuluje kontakt pouze ve velmi krátkém časovém úseku těsně před dopadem makety hlavy s helmou na podložky t 0[s] až do t 0,015-0,02 [s]. Těmito počátečními podmínkami jsou tedy gravitační zrychlení a počáteční rychlost modelu odpovídající rychlosti -1 při volném pádu z výšky 2 m, tedy v 0 6,264 ms. Pro zmenšení úlohy a úsporu výpočtového času byla modelována polovina makety hlavy s helmou v rovině symetrie, ve které byly také zavedeny okrajové podmínky symetrie. Výsledky Výpočtem pro všechny tři modely v programu ANSYS LS DYNA byly zjištěny časové průběhy zrychlení těžiště makety hlavy ve svislém směru. Na obr.7 jsou vyneseny časové průběhy přetížení násobky gravitačního zrychlení G pro všechny modely a pro modely In- Mold a Double-Mold. 5

zrychlení [G] zrychlení [G] 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02-200 čas [s] EPS InMold DoubleMold Obr. 7. Průběh zrychlení v těžišti makety hlavy v průběhu testu pro všechny helmy 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02-20 čas [s] InMold DoubleMold Obrázek 8. Průběh zrychlení v těžišti makety hlavy v průběhu testu pro helmy se zpevněním 6

Z obr.7 je patrné, že pro model helmy bez zpevněného povrchu skořápkou dosahují hodnoty přetížení zrychlením až 1600 G, což je 8krát větší hodnota než max. hodnota přetížení, při kterém již dochází k poškození mozku. Na obr.9 je průběh svislého napětí pro celý model a pro helmu pro max. hodnotu přetížení. Je patrná destrukce helmy v místě kontaktu s podložkou, její proražení maketou hlavy a přímý kontakt makety s terčem, kde vznikají velká napětí. Obrázek 9. Napětí ve svislém směru v celém modelu a helmě pro max. zrychlení Při použití modelu helmy In-Mold nebo Double-Mold nedochází k úplnému proražení helmy a napětí jsou o jeden řád menší (obr.10) Obrázek 10. Napětí z v helmě se zpevněním pro špičky zrychlení Na základě výpisů ze zrychlení pro těžiště makety hlavy byl proveden výpočet HIC kritéria, jehož hodnoty pro všechny tři modely jsou uvedeny v tab.1. Helma bez zpevnění Helma In-Mold Helma Double-Mold hodnota HIC 396 236 268 Tabulka 1. Hodnoty kritéria HIC pro jednotlivé modely helmy 7

Závěr Výsledky výpočtu prokázaly významný vliv technologie In-Mold a Double-Mold se zpevněním povrchu helmy na její tlumící a ochranné vlastnosti. V této studii helmy se zpevněním mají vypočtenou hodnotu HIC o třetinu nižší než bez zpevnění a špičky přetížení zrychlením při impaktu jsou pod hranicí 200 G. Plně tedy vyhovují, na rozdíl od helmy provedené se skeletem pouze z EPS. V tomto případě je hodnota HIC pod mezní hranicí HIC=1000, ale špička přetížení zrychlením je osmkrát větší než 200 G, dochází k proražení skeletu helmy a přímému kontaktu hlavy s podložkou. Ochranná funkce takové helmy je tedy velmi sporná. Výpočet prokázal možnost simulace pádové zkoušky makety helmy s helmou numerickou metodou v programu ANSYS LS DYNA. Modelování droptestu slouží k výpočtovým studiím a sledování vlastností a chování helmy při různých situacích. Výsledek může být samozřejmě ovlivněn přesností vstupů materiálové charakteristiky, materiálové modely užité ve výpočtu, ale i velikostí elementů, zvláště pokud dochází při výpočtu impaktu k jejich erozi a vyloučení z výpočtu. Další numerické studie a zpřesnění metodiky výpočtu jsou zcela na místě. Literatura: [1] MICKA M., VYČICHL J.: Tvorba modelu přilby z 3D skenování, 15. ANSYS Users Meeting, 3. 5. října 2007, Lednice [2] KRUMPHANZL V., MICKA M.: Modelování pádu hlavy s přilbou, 14. ANSYS Users Meeting, 20.. 22.září 2006 Tábor [3] MILLS N.J., GILCHRIST A.: Oblique impact testing of bicycle helmets, International Journal of Impact Engineering 35 (2008) 1075 1086 [4] CUI L., FORERO RUEDA M.A., GILCHRIST M.D.: Optimisation of energy absorbing liner for equestrian helmets. Part II: Functionally graded foam liner, J. Materials and Design 30 (2009) 3414 3419 [5] HALLQUIST J. O.: LS-DYNA Theory Manual, March 2006 8