Verringerung des Risikos von Thoraxverletzungen beim PKW-Seitenaufprall: FEM-Simulationen mit dem Mensch-Modell HUMOS
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2008
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adam_text | Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 13
2 Theoretische Grundlagen 17
2.1 Anatomie Thorax 17
2.2 Thoraxverletzungen 19
2.2.1 Rippenfrakturen 21
2.2.2 Lungenverletzungen 21
2.2.3 Kardiovaskuläre Verletzungen 22
2.3 Verletzungskriterien 23
2.3.1 Kompressions-Kriterium 24
2.3.2 Viscous-Criterion 2G
2.3.3 Thorax-Trauma-Index 28
2.3.4 Kräfte und Beschleunigungen 29
2.3.5 Becken 30
2.4 Dir Methode der Finiten Elemente 31
2.5 Crashtests und Crash-Simulationen 33
2.5.1 Crashtests 33
2.5.2 Crashtest-Dummys 33
2.5.3 EuroNCAP 35
8 INHALTSVERZEICHNIS
2.5.4 Crashsimulation 38
2.5.5 Numerische Menschmodelle 39
2.0 HUMOS - Human Model for Safety 41
2.6.1 Die Projekte 41
2.6.2 Das Modell 43
3 Material und Methoden 47
3.1 Validierung des HUMOS-Modells 47
3.1.1 Beschreibung der PMTO-Versuche 49
3.1.2 Beschreibung der Simulation 53
3.2 Vergleich HUMOS-Modell mit ES-2-Modell 54
3.2.1 Simulationen 54
3.2.2 Auswertung 56
4 Ergebnisse 59
4.1 Validierung 59
4.1.1 Kinematik 60
4.1.2 Kontaktkräfte 62
4.1.3 Thorax-Kompression 65
4.1.4 Viscous Criterion 68
4.1.5 Beschleunigungswerte 69
4.1.ü Verletzungen 70
4.2 Vergleich HUMOS-Modell mit ES-2-Modell 75
4.2.1 Kinematik 75
4.2.2 Kontaktkräfte 76
4.2.3 Deflexioii und Kompression 80
INHALTSVERZEICHNIS 9
4.2.4 Viseous-Ciiterion 84
4.2.5 Beschleunigungen 85
4.2.6 Thorax- Trauma-Index 86
4.2.7 Kräfte 80
4.2.8 Verletzungswahrscheinlichkeiten 87
4.2.9 Dehnungen und Elementversagen an den Rippen 88
4.2.10 Aorta 90
4.2.11 Becken 90
5 Diskussion 93
5.1 Validierung des HUMOS-Modells 93
5.1.1 Materialparameter des kortikalen Rippenknochens 93
5.1.2 Kinematik 94
5.1.3 Kontaktkräfte 94
5.1.4 Thorax 95
5.1.5 Zusammenfassung Validierung 97
5.2 Vergleich HUMOS-Modell mit ES-2-Modell 98
5.2.1 Vergleich der beiden Barrierenkonfigurationen 98
5.2.2 Unterschiede zwischen HUMOS-Modell und ES-2-Modell 102
5.2.3 Zusammenfassung 100
5.3 Schlussfolgerung IOC
6 Ausblick 109
6.1 Crash-Simulation 109
6.2 Unfallrekonstruktion 111
6.2.1 Methode 112
10 Inhaltsverzeichnis
6.2.2 Ergebnisse 112
(i.2.3 Diskussion 115
7 Zusammenfassung 117
A Validierung 119
B Vergleich HUMOS- und ES-2-Modell 125
Abbildungsverzeichnis
2.1 Anatomie des Brustkorbs 18
2.2 Anatomie des Herzens und Lunge 19
2.3 Entstehung von Rippenfrakturen 22
2.4 Kompression des Herzens 23
2.5 Verletzungswahrscheinlichkeit (Thorax-Eindriickung) 27
2.6 Verletzungswahrscheinlichkeit (TTId und Beschleunigung) 2!)
2.7 Verletzungswahrscheinlichkeiten für den ES-2 Dummy 30
2.8 Crashtest und Crash-Simulation 33
2.9 Dummy-Familie und EuroSID 35
2.10 ES-2 Rippenmodul 3ü
2.11 ES-2 Instrumentierung 37
2.12 Seitenaufprall Test EuroNCAP 39
2.13 ES-2 und numerisches ES-2 Modell 40
2.14 H-Model, HUMOS und THUMS 41
2.15 Aufbau HUMOS Modell 45
3.1 HUMOS-Modell und PMTO auf Schlitten 50
3.2 Berechnung der Thorax-Kompression 52
3.3 Initiale Positionierung HUMOS und ES-2-Modell 55
12 ABBILDUNGSVERZEICHNIS
3.4 Thorax HUMOS und ES-2 57
3.5 Auswerteknoten für Beschleunigungen 58
4.1 Spannungs-Delmungs-Diagramm des Rippenknochens 60
4.2 Kinematik PMTO und HUMOS 61
4.3 Kontaktkräfte Maximalwerte 62
4.4 Kontaktkraft Thorax 63
4.5 Kontaktkraft Becken 63
4.6 Kontaktkraft Abdomen 64
4.7 Kontaktkräfte Summe 64
4.8 Brostumfangskonturen auf Höhe der achten Rippe 66
4.9 Thorax-Deflexion 8. Rippe (ganzer Thorax) 66
4.10 Thorax-Deflexion 8. Rippe (halber Thorax) 67
4.11 Thorax-Kompression Maximalwerte 67
4.12 Viscous Criterion 69
4.13 Beschleunigung des ersten Brustwirbels 71
4.14 Beschleunigung des zwölften Brustwirbels 71
4.15 Beschleunigung des Kreuzbeins 72
4.16 Beschleunigung vierte Rippe 72
4.17 Beschleunigung achte Rippe 73
4.18 Maximalwerte der Beschleunigungen 73
4.19 Rippenfrakturen PMTO und HUMOS 74
4.20 Verhalten des Arms des ES-2-ModelLs 76
4.21 Kinematik bei flacher Barrierenkonfiguration 77
4.22 Kinematik bei gestufter Barrierenkonfiguration 78
4.23 Summe der Kontaktkräfte 79
ABBILDUNGSVERZEICHNIS 13
4.24 Kontaktkräfte HUMOS und ES-2-Modell 80
4.25 Thorax-Kompression HUMOS: Schnitt auf Höhe der 8. Rippe 81
4.2C Thorax-Kompression obere Rippe 81
4.27 Thorax-Kompression mittlere Rippe 82
4.28 Thorax-Kompression untere Rippe 82
4.20 Avisweitung Thorax 83
4.30 Viseous Criterion von HUMOS und ES-2-Modell 84
4.31 laterale Beschleunigungen von HUMOS- und ES-2-Modell 85
4.32 Scherkräfte Thl und Thl2 von HUMOS und ES-2-Modell 80
4.33 Krafteinwirkung Symphyse 87
4.34 Dehnungen und Elementversagen der Rippen 89
4.35 Dehnungen au der Aorta 90
4.36 Dehnungen d s Beckens 91
0.1 ES-2-Modell und H-Model in dem Modell eines KFZ 110
0.2 Deformierter Lenkrad-Kranz 111
0.3 Positionierung HUMOS im Modell der Fahrgastzelle 112
6.4 Verletzungsmechanismus der Aorta beim Frontalaufprall 113
6.5 Dehnungen der Aorta 114
A.l Rippenfrakturen PMTO SC101 119
A.2 Rippenfrakturen PMTO SC102 120
A.3 Rippenfrakturen PMTO SC103 120
A.4 Rippenfrakturen PMTO SC120 121
A.5 Rippenfrakturen PMTO SC124 121
A.O Rippenfrakturen PMTO SC131 122
A.7 Rippenfrakturen PMTO SC135 122
14 Abbildungsverzeichnis
A.8 Thorax-Defiexion 4. Rippe (ganzer Thorax) 123
A.9 Thorax-Deflexion 4. Rippe (halber Thorax) 123
A.10 Abdonien-Deflexion (volle Breite) 124
A.ll Admonien-Deflexion (halbe Breite) 124
Tabellenverzeichnis
1.1 Straßenverkehrsunfälle in Deutschland 14
2.1 AlS-Schwere von Thoraxverletzungen 20
2.2 Grenzwerte von Verletzungskriterien 25
2.3 ECE-R95 und FMVSS214 34
2.4 Maße der verschiedenen HUMOS Modelle 42
3.1 Übersicht PMTO aus den Schlittenversnchen 50
3.2 Technische Daten HUMOS-Modell und ES-2-Modell 56
4.1 Validierte Materialparameter des kortikalen Rippenknochens 59
4.2 Verhältnis von halber zu voller Thorax-Deflexion 68
4.3 Verletzungswahrscheinlichkeiten 88
B.l Maximalwerte von HUMOS- und ES-2-Modell 126
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Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 13
2 Theoretische Grundlagen 17
2.1 Anatomie Thorax 17
2.2 Thoraxverletzungen 19
2.2.1 Rippenfrakturen 21
2.2.2 Lungenverletzungen 21
2.2.3 Kardiovaskuläre Verletzungen 22
2.3 Verletzungskriterien 23
2.3.1 Kompressions-Kriterium 24
2.3.2 Viscous-Criterion 2G
2.3.3 Thorax-Trauma-Index 28
2.3.4 Kräfte und Beschleunigungen 29
2.3.5 Becken 30
2.4 Dir Methode der Finiten Elemente 31
2.5 Crashtests und Crash-Simulationen 33
2.5.1 Crashtests 33
2.5.2 Crashtest-Dummys 33
2.5.3 EuroNCAP 35
8 INHALTSVERZEICHNIS
2.5.4 Crashsimulation 38
2.5.5 Numerische Menschmodelle 39
2.0 HUMOS - Human Model for Safety 41
2.6.1 Die Projekte 41
2.6.2 Das Modell 43
3 Material und Methoden 47
3.1 Validierung des HUMOS-Modells 47
3.1.1 Beschreibung der PMTO-Versuche 49
3.1.2 Beschreibung der Simulation 53
3.2 Vergleich HUMOS-Modell mit ES-2-Modell 54
3.2.1 Simulationen 54
3.2.2 Auswertung 56
4 Ergebnisse 59
4.1 Validierung 59
4.1.1 Kinematik 60
4.1.2 Kontaktkräfte 62
4.1.3 Thorax-Kompression 65
4.1.4 Viscous Criterion 68
4.1.5 Beschleunigungswerte 69
4.1.ü Verletzungen 70
4.2 Vergleich HUMOS-Modell mit ES-2-Modell 75
4.2.1 Kinematik 75
4.2.2 Kontaktkräfte 76
4.2.3 Deflexioii und Kompression 80
INHALTSVERZEICHNIS 9
4.2.4 Viseous-Ciiterion 84
4.2.5 Beschleunigungen 85
4.2.6 Thorax- Trauma-Index 86
4.2.7 Kräfte 80
4.2.8 Verletzungswahrscheinlichkeiten 87
4.2.9 Dehnungen und Elementversagen an den Rippen 88
4.2.10 Aorta 90
4.2.11 Becken 90
5 Diskussion 93
5.1 Validierung des HUMOS-Modells 93
5.1.1 Materialparameter des kortikalen Rippenknochens 93
5.1.2 Kinematik 94
5.1.3 Kontaktkräfte 94
5.1.4 Thorax 95
5.1.5 Zusammenfassung Validierung 97
5.2 Vergleich HUMOS-Modell mit ES-2-Modell 98
5.2.1 Vergleich der beiden Barrierenkonfigurationen 98
5.2.2 Unterschiede zwischen HUMOS-Modell und ES-2-Modell 102
5.2.3 Zusammenfassung 100
5.3 Schlussfolgerung IOC
6 Ausblick 109
6.1 Crash-Simulation 109
6.2 Unfallrekonstruktion 111
6.2.1 Methode 112
10 Inhaltsverzeichnis
6.2.2 Ergebnisse 112
(i.2.3 Diskussion 115
7 Zusammenfassung 117
A Validierung 119
B Vergleich HUMOS- und ES-2-Modell 125
Abbildungsverzeichnis
2.1 Anatomie des Brustkorbs 18
2.2 Anatomie des Herzens und Lunge 19
2.3 Entstehung von Rippenfrakturen 22
2.4 Kompression des Herzens 23
2.5 Verletzungswahrscheinlichkeit (Thorax-Eindriickung) 27
2.6 Verletzungswahrscheinlichkeit (TTId und Beschleunigung) 2!)
2.7 Verletzungswahrscheinlichkeiten für den ES-2 Dummy 30
2.8 Crashtest und Crash-Simulation 33
2.9 Dummy-Familie und EuroSID 35
2.10 ES-2 Rippenmodul 3ü
2.11 ES-2 Instrumentierung 37
2.12 Seitenaufprall Test EuroNCAP 39
2.13 ES-2 und numerisches ES-2 Modell 40
2.14 H-Model, HUMOS und THUMS 41
2.15 Aufbau HUMOS Modell 45
3.1 HUMOS-Modell und PMTO auf Schlitten 50
3.2 Berechnung der Thorax-Kompression 52
3.3 Initiale Positionierung HUMOS und ES-2-Modell 55
12 ABBILDUNGSVERZEICHNIS
3.4 Thorax HUMOS und ES-2 57
3.5 Auswerteknoten für Beschleunigungen 58
4.1 Spannungs-Delmungs-Diagramm des Rippenknochens 60
4.2 Kinematik PMTO und HUMOS 61
4.3 Kontaktkräfte Maximalwerte 62
4.4 Kontaktkraft Thorax 63
4.5 Kontaktkraft Becken 63
4.6 Kontaktkraft Abdomen 64
4.7 Kontaktkräfte Summe 64
4.8 Brostumfangskonturen auf Höhe der achten Rippe 66
4.9 Thorax-Deflexion 8. Rippe (ganzer Thorax) 66
4.10 Thorax-Deflexion 8. Rippe (halber Thorax) 67
4.11 Thorax-Kompression Maximalwerte 67
4.12 Viscous Criterion 69
4.13 Beschleunigung des ersten Brustwirbels 71
4.14 Beschleunigung des zwölften Brustwirbels 71
4.15 Beschleunigung des Kreuzbeins 72
4.16 Beschleunigung vierte Rippe 72
4.17 Beschleunigung achte Rippe 73
4.18 Maximalwerte der Beschleunigungen 73
4.19 Rippenfrakturen PMTO und HUMOS 74
4.20 Verhalten des Arms des ES-2-ModelLs 76
4.21 Kinematik bei flacher Barrierenkonfiguration 77
4.22 Kinematik bei gestufter Barrierenkonfiguration 78
4.23 Summe der Kontaktkräfte 79
ABBILDUNGSVERZEICHNIS 13
4.24 Kontaktkräfte HUMOS und ES-2-Modell 80
4.25 Thorax-Kompression HUMOS: Schnitt auf Höhe der 8. Rippe 81
4.2C Thorax-Kompression obere Rippe 81
4.27 Thorax-Kompression mittlere Rippe 82
4.28 Thorax-Kompression untere Rippe 82
4.20 Avisweitung Thorax 83
4.30 Viseous Criterion von HUMOS und ES-2-Modell 84
4.31 laterale Beschleunigungen von HUMOS- und ES-2-Modell 85
4.32 Scherkräfte Thl und Thl2 von HUMOS und ES-2-Modell 80
4.33 Krafteinwirkung Symphyse 87
4.34 Dehnungen und Elementversagen der Rippen 89
4.35 Dehnungen au der Aorta 90
4.36 Dehnungen d s Beckens 91
0.1 ES-2-Modell und H-Model in dem Modell eines KFZ 110
0.2 Deformierter Lenkrad-Kranz 111
0.3 Positionierung HUMOS im Modell der Fahrgastzelle 112
6.4 Verletzungsmechanismus der Aorta beim Frontalaufprall 113
6.5 Dehnungen der Aorta 114
A.l Rippenfrakturen PMTO SC101 119
A.2 Rippenfrakturen PMTO SC102 120
A.3 Rippenfrakturen PMTO SC103 120
A.4 Rippenfrakturen PMTO SC120 121
A.5 Rippenfrakturen PMTO SC124 121
A.O Rippenfrakturen PMTO SC131 122
A.7 Rippenfrakturen PMTO SC135 122
14 Abbildungsverzeichnis
A.8 Thorax-Defiexion 4. Rippe (ganzer Thorax) 123
A.9 Thorax-Deflexion 4. Rippe (halber Thorax) 123
A.10 Abdonien-Deflexion (volle Breite) 124
A.ll Admonien-Deflexion (halbe Breite) 124
Tabellenverzeichnis
1.1 Straßenverkehrsunfälle in Deutschland 14
2.1 AlS-Schwere von Thoraxverletzungen 20
2.2 Grenzwerte von Verletzungskriterien 25
2.3 ECE-R95 und FMVSS214 34
2.4 Maße der verschiedenen HUMOS Modelle 42
3.1 Übersicht PMTO aus den Schlittenversnchen 50
3.2 Technische Daten HUMOS-Modell und ES-2-Modell 56
4.1 Validierte Materialparameter des kortikalen Rippenknochens 59
4.2 Verhältnis von halber zu voller Thorax-Deflexion 68
4.3 Verletzungswahrscheinlichkeiten 88
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