Assessment of a numerical procedure to evaluate the safety performance of an FHR device in terms of human neck loads.

Front Head Restraint (FHR) devices have been introduced since the early 1980’s to reduce the high number of serious head and neck injuries in motorsport auto racing. The aim of this study is to evaluate the safety performance of FHR devices in terms of human neck loads using the THUMS Human Body Model. Two types of FHRs have been considered: the HANS device and the Hybrid PRO device. The purpose has been pursued by considering three possible injury criteria and approaches. The first injury criterion, it is derived from Nij criterion for Hybrid III dummy and it is based on force and moment calculation on THUMS’ vertebral sections. The second criterion is based on anatomy studies and in particular on RoM of cervical spine segments. The third criterion is based on osteology and especially on the plastic strain that causes bone fractures. Initially, an experimental sled testing campaign with the Hybrid III anthropomorphic test device has been performed in the La.S.T. - TRANSPORT SAFETY LAB of the Politecnico di Milano’s Aerospace Science and Technology Department. In these tests, four different Hybrid III dummy configurations, with and without FHR devices, have been tested with always the same range of deceleration around 70 g. The acquired experimental data have been used to validate Hybrid III Finite Element models created reproducing the experimental setups. These validated Finite Element models then have been used with the THUMS in order to compare the human neck loads and assess neck injury criteria.

I dispositivi Front Head Restraint (FHR) sono stati introdotti all'inizio degli anni '80 per ridurre l'elevato numero di gravi lesioni alla testa e al collo nelle corse automobilistiche. Lo scopo di questo studio è valutare le prestazioni di sicurezza dei dispositivi FHR, in termini di carichi sul collo umano, utilizzando il modello del corpo umano THUMS. Sono stati considerati due tipi di FHR: dispositivo HANS e dispositivo Hybrid PRO. Lo scopo è stato perseguito considerando tre possibili criteri e approcci di lesione. Il primo, è derivato dal criterio Nij per l’Hybrid III e si basa sul calcolo delle forze e dei momenti nelle sezioni vertebrali del THUMS. Il secondo criterio si basa sugli studi di anatomia ed in particolare sul RoM dei segmenti del rachide cervicale. Il terzo invece, si basa sull'osteologia e soprattutto sulla deformazione plastica che provoca le fratture ossee. Inizialmente è stata eseguita una campagna di prove sperimentali su slitta ad impatto frontale, con il dispositivo di prova antropomorfo Hybrid III presso il La.S.T. - TRANSPORT SAFETY LAB del Dipartimento di Scienze e Tecnologie Aerospaziali del Politecnico di Milano. In questi test sono state provate quattro diverse configurazioni dell’Hybrid III, con e senza dispositivi FHR, con sempre lo stesso range di decelerazione intorno ai 70 g. I dati sperimentali acquisiti sono stati utilizzati per validare i modelli ad elementi finiti con l’Hybrid III, creati riproducendo i setup sperimentali. Questi modelli convalidati sono stati quindi utilizzati con il THUMS, per confrontare i carichi sul collo umano e valutare i criteri di lesione del collo.