Ottimizzazione del comportamento di testa e collo di modelli FEM di Hybrid III e validazione attraverso il confronto con prove sperimentali

Passive safety has become more and more of interest in recent years. Its main purpose related to biomechanics is to guarantee the protection of human beings involved in crash phenomena. Finite element simulations have been introduced in the first phase of aerospace project with the aim of reducing time and cost related to experimental tests. Numerical models of all the structures, vehicles and generic parts involved in the scenarios have been introduced. In this context numerical representations of anthropomorphic test devices have been developed as well. Such models are not always capable to provide reliable results due to second order dynamics and problems in parts modeling. Obtaining a numerical ATD (Anthropomorphic Test Device) that behaves as similar as possible to the real one is the target of this work. Two categories of experimental tests have been carried out: static tests and dynamic impact tests, both useful to characterize the behavior of the subset of head and neck of the Hybrid III dummy model. One of the main issues in the use of ATDs in finite element simulations is related to the gravity preload on the models. To solve this, several numerical simulations have been carried out with the aim to improve model response through a dynamic relaxation phase. All the experimental tests carried out previously have been reproduced numerically, with particular attention to the preloading phase. The last part of this work is focused on the execution of a numerical test for motorcyclist impact. This test is much more complex than the previous ones, as the head and neck were integrated into the complete dummy. For the purpose a model that allows to obtain good results without excessively increasing the calculation time has been assembled. The results obtained from numerical simulations have been compared with the data obtained in experimental tests carried out previously at the La.S.T. (Laboratorio per la Sicurezza dei Trasporti of Politecnico di Milano), demonstrating the reliability of the model and the preloading procedure used.

Con l'incremento dell'interesse riguardante la sicurezza passiva, la biomeccanica è diventata un settore di primaria importanza nella progettazione di strutture che garantiscano la protezione degli esseri umani coinvolti in fenomeni di crash. In questo contesto le simulazioni numeriche si sono affiancate alle prime fasi del progetto strutturale con l’obbiettivo di diminuire tempi e costi necessari per effettuare prove sperimentali. A tal proposito, sono state sviluppate controparti numeriche dei manichini antropomorfi utilizzati nei test. Tali modelli numerici di manichino non sono sempre in grado di fornire risultati affidabili per problematiche relative a dinamiche secondarie e modellazione delle parti. Lo scopo di questa tesi è analizzare e criticamente valutare alcuni di questi fattori per poter avere una rappresentazione biomeccanica quanto più simile tra un manichino antropomorfo reale e il suo corrispettivo numerico. Nell’ambito di questa tesi sono state svolte due categorie di prove sperimentali: prove statiche e prove dinamiche di impatto, entrambe utili a caratterizzare il comportamento del sottoinsieme composto da testa e collo dell’Hybrid III. Uno dei principali problemi nell’utilizzo di manichini antropomorfi nell’ambito delle simulazioni agli elementi finiti è legato al precarico della gravità sul modello. Per risolvere questo problema sono state effettuate numerose simulazioni numeriche volte a migliorare la risposta del modello tramite una fase di dynamic relaxation. Tutte le prove sperimentali effettuate precedentemente sono state replicate numericamente, ponendo particolare attenzione alla fase di precarico. L’ultima parte di questo lavoro è incentrata sull’esecuzione di una prova numerica di impatto motociclista. Questa prova è molto più complessa delle precedenti dato che testa e collo sono stati integrati nel manichino completo. Per questa prova è stato assemblato un modello che permette di ottenere buoni risultati senza aumentare eccessivamente i tempi di calcolo. I risultati ottenuti dalle simulazioni numeriche sono stati confrontati con dati sperimentali ottenuti in test effettuati precedentemente presso il La.S.T. (Laboratorio per la Sicurezza dei Trasporti del Politecnico di Milano), dimostrando l’affidabilità del modello e della procedura di precarico utilizzata.