維克弗里斯特大學基于HyperWorks開發車輛碰撞仿真的人體模型

2016-11-22 by:CAE仿真在線來源:互聯網

項目介紹

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

該大學醫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會(GHBMC)的主要研究人員,GHBMC是一個國際性的協會,包括汽車制造商、供應商、研究型大學及政府機構,旨在提高碰撞仿真中人體建模技術。

挑戰

計算模型的建立是損傷生物力學和創傷研究的一個不斷增長的組成部分。詳細的人體模型的數學建模,可以準確模擬人體在真實情境中的碰撞損傷情況,有助于進行設計改進,以幫助防止發生潛在的人體受傷。開發詳細人體模型的第一步是在數學上量化基本的人體器官、骨骼及身體的四肢這些會受創傷的部分。由此產生的醫學圖像數據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,人體數據必須進行離散化,以產生精確的一系列的有限元(FE)模型,這些不同的身體系統的有限元模型,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開發詳細的有限元模型,根據大量的掃描數據建立人體器官、組織和骨骼系統。所有數據是在GHBMC指定的大學鑒定中心(COE)指導下完成開發。每一個中心的職責是對特定的人體結構器官進行計算機輔助設計和有限元建模。另外成立了一個COE主要是整合數據和每個子系統的有限元模型,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都是設立在國際領先大學生物醫學研究中心,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數據的有限元建模,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域的最詳細的有限元模型。整合模型的挑戰之一是連接界面,如頭部和頸部的連接區域要采用小單元(5mm毫米單元邊長)來確保單元間好的連續性和質量。類似的挑戰發生在骨盆的界面處,采用更大的單元(10毫米單元邊長),保證整體有限元模型規模的合理性。

維克弗里斯特大學基于HyperWorks開發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1.3百萬節點

開發大規模的假人模型和提高仿真效率的過程

50%的男性乘客(M50)模型已經開發出來,模型為2.2百萬個單元,1.3百萬個節點,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個側面碰撞和1個翻滾。

GHBMC的一個重大的挑戰是開發一種方法,有效地將M50建模特點快速應用到其他尺寸的假人建模用于碰撞安全性評價。建模縮放的方法已被應用到維克弗里斯特大學的團隊,將快速開發其他型號的假人。他們的工作是整理了大量的M50數據,包括外部測量和醫學影像數據,進行等值面標定將M50數據對應到M95(95%的男性)模型的相應位置。采用薄板樣條函數進行表面變形插值。在M50的基礎上開發更多的有限元假人模型的工作是在HyperMorph中完成,HyperMorph是HyperMesh中的一個網格變形操作工具。

開發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。已經開發了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,同時乘員有限元模型在車輛內部易于定位。維克森林科已完成基于M50的簡化模型的開發工作。“先進的網格劃分和網格變形技術是開發車輛碰撞仿真分析中人體損傷評估計算模型的關鍵。”損傷生物力學研究中心助理教授Scott Gayzik博士如此說到。

結論

GHBMC今后將重點開發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%女性對應模型的開發。站立行人的簡化和詳細的模型也在計劃之中。

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