维克弗里斯特大学基于HyperWorks开发车辆碰撞仿真的人体模型

2016-11-22 by:CAE仿真在线来源:互联网

项目介绍

维克弗里斯特大学(Wake ForestUniversity)是一所在生物医学科学和生物工程领域领先的研究型大学,为学生和教师提供了个人和专业成长的优异机会。

该大学医学院的损伤生物力学中心(CIB)研究汽车碰撞造成的损伤,更加深入了解损伤人体的耐受性,帮助工程师制定更加健全的安全对策。自2006以来, CIB的Joel Stitzel 和Scott Gayzik博士一直是全球人体建模协会(GHBMC)的主要研究人员,GHBMC是一个国际性的协会,包括汽车制造商、供应商、研究型大学及政府机构,旨在提高碰撞仿真中人体建模技术。

挑战

计算模型的建立是损伤生物力学和创伤研究的一个不断增长的组成部分。详细的人体模型的数学建模,可以准确模拟人体在真实情境中的碰撞损伤情况,有助于进行设计改进,以帮助防止发生潜在的人体受伤。开发详细人体模型的第一步是在数学上量化基本的人体器官、骨骼及身体的四肢这些会受创伤的部分。由此产生的医学图像数据必须准确地代表了一系列的汽车乘员:成人(男性和女性)、幼儿(3-6岁)和婴儿。其次,人体数据必须进行离散化,以产生精确的一系列的有限元(FE)模型,这些不同的身体系统的有限元模型,集成为整个人体模型。最后,整个人体模型必须在汽车碰撞模拟乘员和行人的影响条件进行验证。

解决方案

GHBMC利用Altair HyperMesh和HyperMorph开发详细的有限元模型,根据大量的扫描数据建立人体器官、组织和骨骼系统。所有数据是在GHBMC指定的大学鉴定中心(COE)指导下完成开发。每一个中心的职责是对特定的人体结构器官进行计算机辅助设计和有限元建模。另外成立了一个COE主要是整合数据和每个子系统的有限元模型,形成一个完整的人体模型。GHBMC选择维克弗里斯特大学的CIB完成大量的人体整体模型的集成鉴定工作。5个其他的COE都是设立在国际领先大学生物医学研究中心,他们分别完成的头部、颈部、胸部、腹部和下肢的身体部位的建模。每一个COE均使用Altair HyperWorks套件,它提供了完整的CAE工具进行有限元与耐撞性分析。HyperMesh进行人体CAD数据的有限元建模,同时RADIOSS进行汽车碰撞仿真验证。整体建模工作的要求特别高,必须整合五个身体特定区域的最详细的有限元模型。整合模型的挑战之一是连接界面,如头部和颈部的连接区域要采用小单元(5mm毫米单元边长)来确保单元间好的连续性和质量。类似的挑战发生在骨盆的界面处,采用更大的单元(10毫米单元边长),保证整体有限元模型规模的合理性。

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M50模型 -2.2百万单元1.3百万节点

开发大规模的假人模型和提高仿真效率的过程

50%的男性乘客(M50)模型已经开发出来,模型为2.2百万个单元,1.3百万个节点,重量76.9公斤。GHBMC M50的模型,通过在COE合作大学大量的仿真工作,已被验证在碰撞中有38%的损伤。其中包括颅骨和面骨骨折、椎间盘损伤、肋骨骨折、肝、脾损伤、骨盆及髋部骨折、腿部骨折。该模型十分精细,可以模拟碰撞中80%的损伤,同时在RADIOSS、LS DYNA和PAMCRASH等软件仿真平台上得到了验证。维克弗里斯特大学用于研究的碰撞包括整车及正面壁障,研究包括18个模拟案例:9个正面碰撞,8个侧面碰撞和1个翻滚。

GHBMC的一个重大的挑战是开发一种方法,有效地将M50建模特点快速应用到其他尺寸的假人建模用于碰撞安全性评价。建模缩放的方法已被应用到维克弗里斯特大学的团队,将快速开发其他型号的假人。他们的工作是整理了大量的M50数据,包括外部测量和医学影像数据,进行等值面标定将M50数据对应到M95(95%的男性)模型的相应位置。采用薄板样条函数进行表面变形插值。在M50的基础上开发更多的有限元假人模型的工作是在HyperMorph中完成,HyperMorph是HyperMesh中的一个网格变形操作工具。

开发一个完整的人体模型的另一个重要目标是要提高模拟效率。已经开发了15万变形单元的假人模型,此模型的模拟运行时间为相应的详细模型的50%。简化的模型可以在碰撞中快速评估运动响应,同时乘员有限元模型在车辆内部易于定位。维克森林科已完成基于M50的简化模型的开发工作。“先进的网格划分和网格变形技术是开发车辆碰撞仿真分析中人体损伤评估计算模型的关键。”损伤生物力学研究中心助理教授Scott Gayzik博士如此说到。

结论

GHBMC今后将重点开发简化的和详细的完整的5%、95%男性人体模型,同时开展5%、50%、95%女性对应模型的开发。站立行人的简化和详细的模型也在计划之中。

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