Altair Radioss 模擬撞擊場景預防碰撞傷害

借助 Radioss，工程師可以評估和優化產品在車輛碰撞和安全、衝擊和撞擊以及高速撞擊方面的性能。

 

有人可能會說冬季奧林匹克運動是最危險的。 以雪橇運動為例。 這些包括空架雪車、雪橇和雪車。 在空架雪車和雪橇比賽中，運動員只有一個頭盔來保護他們免受賽道的傷害。 在雪車運動中，雪橇為運動員提供了一些額外的保護，但這並不能消除他們正在光滑、蜿蜒和無情的賽道滑下的事實。

除了身體保護外，雪橇賽車手達到了他們運動中的一些最高速度。 截至 2019 年，在不列顛哥倫比亞省威士拿舉行的 BMW IBSF 世界錦標賽上，由 4 人組成的雪橇隊伍達到了最快的 97 英里/小時（156 公里/小時）。

當然，這些運動員在身體和精神上都非常努力地訓練，為比賽做準備並在沒有任何嚴重碰撞的情況下到達終點線。 在雪橇比賽中，輸贏之間的差異可能取決於幾分之一秒。

在比賽開始時，賽車手必須獲得盡可能多的初始速度，並策略性地將體重分配在沉重的雪橇上，以成功駕馭賽道轉彎。 錯誤的移動可能導致碰撞，這可能對賽車手的時間和賽車手的安全造成毀滅性的影響。 借助虛擬測試技術和模擬驅動的設計方法，設計團隊可以針對動態載荷下的高度非線性問題模擬這些類型的性能場景。

使用 Altair Inspire，我們的團隊之前使用運動載荷模擬了雪橇的拓撲優化。 我們決定進一步研究這項工作，不僅要了解如何優化雪橇的設計，還要了解如何使其在發生重大碰撞時盡可能具有保護性。 首先創建模型，我們使用 Altair Radioss 來模擬兩次雪橇碰撞，以及在沒有適當訓練的情況下這種高速運動可能伴隨的傷害風險類型。

 

創建和驗證雪橇模型

首先，我們將初始 Inspire 模型導出到 Altair HyperWorks，然後使用 Altair HyperMesh 工具對其進行網格劃分。

HyperMesh 中模型的特寫視角

雪橇的核心結構由鋼架和前部封閉後部開放的殼體組成。 為了在 HyperMesh 中黏附雪橇的蓋子和強化框架，我們創建了一條焊接線來連接這些部分。 接下來，我們將每個後軸連接到強化框架，並在前軸和框架之間定義一個圓柱形接頭。 雪橇上的領跑者需要有足夠的機動性，這樣駕駛員才能駕駛雪橇。

雪橇蓋（殼體）和強化框架之間的固定黏著劑

接下來，我們在 HyperWorks 中創建接觸，然後在特定區域進行定義，以處理雪橇不同零件之間的互動。 在選擇設計材料時，假設只有雪橇蓋和強化框架是可變形的。 我們使用這個假設是因為在碰撞中，只有這些零件會對乘員的保護做出重大貢獻。 我們用鋁對框架進行建模，用複合材料對蓋子進行建模。

除了運動員在賽道上的速度、重量和準確性之外，雪橇本身的組成在這項運動中也起著重要作用。 複合材料和碳纖維等輕質材料的採用帶來了更加靈活、符合空氣動力學的雪橇，可以更快地加速並達到更高的最高速度。

在運行碰撞場景之前，我們將一個簡單的載荷案例和碰撞場景付諸實施，以確保模型按預期運行。 驗證後，是時候將虛擬碰撞假人載入到雪橇中了。

 

定位假人

預模擬模型是使用 HyperWorks 定位模組生成的，我們使用 Radioss 運行模型。 我們使用與雪橇乘員身高相容的姿勢將假人放置在雪橇中。 之後，我們定義了假人和雪橇之間的接觸介面。

一群真正的假人

 

模擬賽道上的碰撞場景

我們評估了專案中的兩種情況：側壁撞擊和台階撞擊。 側壁碰撞場景研究如果運動員失去對雪橇的控制，導致對賽道邊緣的撞擊會發生什麼。 台階（低高度障礙物）撞擊觀察到賽道上存在意外障礙物，例如之前運行的賽道上的碎片或不均勻的冰。 我們使用標準傷害標準則評估了碰撞事故中的乘員傷害。

場景 1：側壁撞擊

側壁撞擊碰撞模擬

側壁撞擊（移除殼體以可視化殼體撞擊）

查看碰撞運動學，我們可以看到在側壁撞擊後，所有乘員都留在雪橇上，儘管後排乘員遭受了最嚴重的撞擊。 請注意，我們誇大了假人的位置以更好地可視化碰撞影響； 在真正的比賽中，雪橇賽車手坐在雪橇的更深處，以盡量減少阻力。

接下來，我們使用 Altair HyperGraph 計算了假人傷害準則。 我們使用的準則和閾值由汽車碰撞領域的安全法規定義。

用於使用 HIII50 假人的典型碰撞場景的傷害閾值

 

觀察假人的位置非常重要。 在雪橇的後部，假人更猛烈地撞擊牆壁，由於更高的慣性載荷而受到嚴重的撞擊。 駕駛員身後的假人頭部均受到損傷，用 HyperGraph 計算的頭部傷害準則（HIC）和 a3ms（持續至少 3 毫秒的最高加速度幅度）顯示傷害超過了建議的限制。 這就是為什麼所有賽車手都使用防護頭盔的原因。

傷害準則還顯示，雪橇後面的兩個假人胸部也有受傷。 由於雪橇運動服的設計輕巧、彈性且緊身，它們缺乏身體保護。 借助 Radioss 等工具，設備設計人員可以了解在何處加強雪橇等設備，以保護身體的重要部位。

碰撞場景 2：台階撞擊

雪橇台階撞擊

雪橇台階撞擊（去除殼體）

在這個碰撞場景中，雪橇在賽道上遇到了一個短小的障礙物。 比賽開始前，賽道工作人員將這些冰層抹平，以防止發生此類撞擊。 高速比賽需要平整賽道，因為即使是小於 2 厘米的微小顛簸或草皮也會危及運動員。

HyperView 模擬顯示，在此類事故中存在重大的車輛彈射風險。 根據其嚴重程度和乘員在賽道上的位置，這起事故可能是致命的。

 

結論

這些範例展示了雪橇團隊和雪橇設計師如何使用模擬驅動設計來探索多種設計和場景，而無需進行迭代重新運行和物理測試。 在雪橇等運動中，運動員可能會因設計不佳或設備故障而遭受嚴重傷害，進階模擬可以有效地同時研究多個設計場景——所有這些都在一個平台上。

使用這種類型的模擬和優化技術，工程師可以在產品投放市場之前預測和防止設計失敗，從運動到汽車行業。 借助 Radioss，工程師可以評估和優化產品在車輛碰撞和安全、衝擊和撞擊以及高速撞擊方面的性能。 作為準確預測碰撞響應的多功能綜合環境，Radioss 使工程師能夠獲得對複雜設計的可製造性的重要見解。

 

 

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