14.05.2021Fachbeitrag

Die biomechanische Validierung eines neuen biofidelen Dummys Teil 1

Andreas Schäuble, Michael Weyde
[b]Um bei der Rekonstruktion von Fußgänger-Fahrzeug-Unfällen möglichst realistische Ergebnisse zu erzielen, wurde ein neuer biofideler Dummy entwickelt. Das Ziel der hier vorgestellten Arbeit war die biomechanische Validierung der biofidelen Eigenschaften dieses Crashtest-Dummys, auch Anthropomorphic Test Device (ATD) genannt. Hierfür wurden neun Crashtests mit dem Biofidel-Dummy durchgeführt. Die Testergebnisse wurden mit vier früheren Crashtests mit dem Zilina-Dummy, mit Leichenversuchen und 21 Realunfällen verglichen.[/b]
[b]Die Trajektorien beider ATDs wurden berechnet und mit denen der Leichentests verglichen, wobei sich herausstellte, dass sich mit dem Biofidel-Dummy wesentlich realistischere Ergebnisse erzielen ließen als mit dem Zilina-Dummy. Die Schäden an den Fahrzeugfronten, die durch die beiden Dummys und bei Realunfällen entstanden sind, wurden miteinander verglichen, da realistische Schäden sehr wichtig für die Unfallrekonstruktion sind. Es konnte gezeigt werden, dass die Schäden, die der Biofidel-Dummy am Fahrzeug verursacht, den Schäden sehr ähnlich sind, die ein Fußgänger bei einem Realunfall von etwa derselben Schwere verursachen würde. Der Zilina-Dummy hingegen erzeugt am Fahrzeug wesentlich größere Schäden, was bei der Unfallrekonstruktion dazu führen könnte, dass vom Sachverständigen eine zu geringe Kollisionsgeschwindigkeit angenommen wird. Der Anstoßfaktor, also das Verhältnis der durch den Anstoß erreichten maximalen Fußgängergeschwindigkeit zur Kollisionsgeschwindigkeit, wurde für beide ATDs berechnet, wobei hier mit beiden Dummys ähnliche Ergebnisse erzielt werden. Bei der Berechnung des dynamischen, zeitabhängigen Anstoßfaktors konnten allerdings Unterschiede in der Kinematik und Dynamik der beiden Dummys festgestellt werden.[/b]
[b]Die Wurfweiten der beiden Dummys wurden mit Wurfweitendiagrammen, welche mithilfe der Daten aus Crashtests mit dem Zilina-Dummy sowie aus gut dokumentierten Realunfällen von DEKRA erstellt wurden, verglichen. Die mit dem Biofidel-Dummy erzielten Wurfweiten sind nach diesem Diagramm plausibel. Zuletzt wurden die Schäden am Biofidel-Dummy selbst analysiert und auf Verletzungen am menschlichen Körper übertragen. Diese "Verletzungen" des Biofidel-Dummys wurden mit den Verletzungen von bei Realunfällen verunglückten Fußgängern verglichen, wobei sich hier auf fünf spezielle Verletzungen konzentriert wurde, welche für die Unfallrekonstruktion hinzugezogen werden können. Im Allgemeinen waren die "Verletzungen" des biofidelen Dummys vergleichbar mit denen der Fußgänger.[/b]
[b]1 Einleitung[/b]
Während bei schweren Verkehrsunfällen zwischen Fahrzeugen normalweise nicht nur unverkennbare Schäden an den Fahrzeugen entstehen, sowie auch beispielsweise Kratzspuren auf der Fahrbahn erzeugt werden, kommt es häufig nicht einmal bei Fußgängerunfällen mit Todesfolge zu signifikanten Spuren auf der Fahrbahn oder zu Beschädigungen am Fahrzeug, die eine präzise Rekonstruktion der Kollisionsgeschwindigkeit ermöglichen würden. Das Fehlen solcher Anhaltspunkte erschwert die Rekonstruktion, weshalb Bedarf an einer Möglichkeit zur genaueren Rekonstruktion von Unfällen mit Fußgängerbeteiligung bestand.
Um in diesem Bereich der Unfallrekonstruktion einen Fortschritt zu erzielen, schien der Bedarf an einem Fußgängersurrogat zu bestehen, welches realistische Schäden sowohl an Fahrzeugen als auch in Form von "Verletzungen" an sich selbst abbildet, um einen Zusammenhang zwischen Beschädigung am Dummy und der Verletzungswahrscheinlichkeit beim Menschen zu finden. Ein Team von Studenten hat deshalb einen biofidelen Dummy entwickelt.
Dieser Dummy wurde so entworfen, dass realistische Schäden am Fahrzeug und darüber hinaus am Dummy selbst entstehen, welche vergleichbar mit typischen Verletzungen sind, die Fußgänger bei Verkehrsunfällen mit ähnlicher Kollisionsposition und -geschwindigkeit erleiden würden. Die aus Crashtests mit dem Biofidel-Dummy gewonnenen Daten können dann genutzt werden, um Realunfälle mit Fußgängern zu rekonstruieren. In diesem Aufsatz wird über die Analyse und Überprüfung der biofidelen Eigenschaften dieses Menschen-Surrogats in Fußgänger-Fahrzeug Crashtests berichtet.
[b]2 Methoden und verwendete Messtechnik[/b]
DEKRA führte im Sommer 2018 in Zusammenarbeit mit der AXA Winterthur Versicherung in Wildhaus, Schweiz neun Crashtests mit dem Biofidel-Dummy durch. Die Ergebnisse dieser Tests wurden mit Crashtests mit dem Zilina-Dummy - einem ATD welcher häufig für die Unfallanalyse aufgrund geringer Anschaffungskosten und der robusten Eigenschaften eingesetzt wird -, mit Leichenversuchen, deren Daten aus veröffentlichten Forschungsarbeiten bekannt waren, und 21 gut dokumentierten Realunfällen mit Fußgängerbeteiligung verglichen. Eine Übersicht der Crashtests ist in TABELLE 1 aufgeführt.
Die Videos der Crashtests wurden hinsichtlich der Dummy-Trajektorien und der Anstoßfaktoren mittels des Programms "Falcon" ausgewertet. Die Bildfrequenz dieser Videos betrug 500 Bilder / s. Der zeitliche Nullpunkt wurde als erster Kontakt zwischen dem Dummy und dem Fahrzeug gewählt, was visuell über ein Licht, welches auf dem Dach des Pkw befestigt wurde, erkennbar ist. Der Nullpunkt des Koordinatensystems, welches das Programm für die Berechnungen benötigt, wurde im ersten Target auf dem Pkw definiert.
Die x-Achse zeigt dabei in die Fahrtrichtung des Pkw und die y-Achse nach oben. Die Punkte, welches das Programm benötigt, um die Bewegung des Dummys zu verfolgen, wurden manuell markiert. Diese Punkte wurden an Kopf, Becken und Fuß des Dummys gesetzt. Jede Körperregion wurde dreimal analysiert und daraus der Mittelwert gebildet, um Fehler zu reduzieren, die aus der manuellen Festlegung der Punkte resultieren. Jedes zehnte Foto wurde analysiert, was bedeutet, dass das zeitliche Intervall zwischen den Messungen 0,02 s beträgt. Das Programm Falcon bietet die Möglichkeit .txt-Dateien zu exportieren, welche dann in das Programm Excel eingeladen wurden, womit das Erstellen diverser Diagramme möglich war. Die tatsächlichen Trajektoriendiagramme wurden abschließend mit der Software CorelDraw erstellt.
Des Weiteren wurden "Autopsien" am Biofidel-Dummy durchgeführt, um die Schäden zu untersuchen, welche während der Crashtests am Dummy entstanden, um diese dann auf vergleichbare Verletzungen des menschlichen Körpers zu übertragen.
[b]3 Crashtest-Dummys in der Unfallrekonstruktion[/b]
[b]3.1 Zilina-Dummy[/b]
Der Zilina-Dummy wurde an der Zilina Universität (Slowakei) entwickelt und repräsentiert den 50-Perzentil-Mann. Im Gegensatz zu den höherentwickelten Dummys aus der Fahrzeugindustrie ist die Möglichkeit zum Einbauen von Messtechnik beim Zilina-Dummy auf den Brustbereich begrenzt [1]. Die Basis dieses Crashtest-Dummys besteht aus einem metallenen Skelett, welches mit hartem Plastik verkleidet ist. Die Gelenke können so befestigt werden, dass der Dummy eine aufrechte Position einnimmt.
[b]3.2 Biofidel-Dummy[/b]
Der erste Prototyp des Biofidel-Dummys hatte ein Holzskelett, das durch geheftete Bänder zusammengehalten wurde und von einem Gewebesurrogat aus einer Mischung aus Silikon und Acryl bedeckt war. Das Besondere an diesem ATD-Gewebe sind die pseudoelastischen Eigenschaften, die dem menschlichen Gewebe ähnlich sind. Unter Anwendung einer äußeren Kraft verhält sich das Gewebe plastisch, während seine Eigenschaften elastisch sind, sobald die Kraft entfernt wird. Die Haut des Dummys bestand aus einem 3 mm dicken Neoprenanzug, welcher zur Erhöhung von Elastizität und Zugfestigkeit mit Latex überzogen wurde. Der Neoprenanzug dient dabei nicht nur als Haut-Surrogat, sondern auch zur zusätzlichen Fixierung der Gewebeteile.
Um die anthropomorphen und biofidelen Eigenschaften dieses 50-Perzentil-Mann-Dummys weiter zu verbessern, besteht das Skelett nicht mehr aus Holz, sondern aus einer Mischung aus Epoxidharz und Aluminiumpulver. Diese Mischung ermöglicht die Herstellung von "Knochen", die bezüglich Form und mechanischer Eigenschaften den menschlichen Knochen ähnlicher sind. Die Gewebeteile bestehen nun aus einem Zwei-Komponenten-Silikon anstatt einem Gemisch auch Silikon und Acryl. Als Haut dient weiterhin ein Neoprenanzug mit Latexschicht.
[b]4 Ergebnisse und Diskussion[/b]
[b]4.1 Dummy-Trajektorien[/b]
Die Dummy-Trajektorien wurden für jeden Crashtest ermittelt. Die Hauptcharakteristika werden aber nur anhand je eines Fahrzeugs für den biofidelen und den Zilina-Dummy erklärt, da die Unterschiede zwischen den verschiedenen Fahrzeugen nicht besonders groß sind.
[b]4.1.1 Biofidel-Dummy[/b]
Das BILD 1 zeigt die Dummy-Trajektorien der Crashtests wh18.22 und wh18.23. Der sogenannte Unterzieheffekt, bei dem der Fuß des Fußgängers aufgrund von Reibung und Trägheitskraft am vorderen Stoßfänger unter das Fahrzeug gezogen wird, prägt sich bei zunehmender Kollisionsgeschwindigkeit immer stärker aus. Dieser Effekt kann große Biege- und Scherkräfte in der Nähe des Sprunggelenkes bewirken. Der Unterzieheffekt wirkt sich außerdem auch auf die Kinematik der unteren Extremitäten aus. Während die Beine bei geringeren Kollisionsgeschwindigkeiten eher nach oben geschleudert werden, kommt es bei höheren Kollisionsgeschwindigkeiten aufgrund des Unterzieheffekts eher zu einer Art Verhaken der unteren Extremitäten an der Fahrzeugfront.
Währenddessen wird der Torso des Dummys beschleunigt und bewegt sich entlang der Fahrzeugkontur, was zu einer Längung des Oberkörpers führt. Ohne den Neoprenanzug würde der Biofidel-Dummy hierbei wahrscheinlich auseinanderreißen. Die Wahrscheinlichkeit für das Abreißen eines Körperteils wurde von [2] untersucht. Hiernach liegt die Wahrscheinlichkeit für das Abreißen von Gliedmaßen bei einer Kollisionsgeschwindigkeit von 100 km/h im Mittel bei 0,281947, während für den unteren Wert 0,157408 und für den oberen Wert 0,514652 angegeben werden. Die starke Längung des biofidelen Dummys scheint daher nicht unrealistisch zu sein, jedoch lassen sich aufgrund weniger Leichentests bei hohen Kollisionsgeschwindigkeiten die genauen biofidelen Eigenschaften in dieser Hinsicht schwer beurteilen. Während des Crashtests wh18.22 drückte der Oberschenkel des Biofidel-Dummy den linken Scheinwerfer nach innen, wodurch eine scharfe Kante am linken Kotflügel entstand. Diese durchdringt beim weiteren Aufgleiten des Dummys über die Motorhaube dessen Bein. Derartige Verletzungen sind aus realen Unfällen bekannt.
Während der Kopf bei einer Kollisionsgeschwindigkeit von 70 km/h noch auf der Windschutzscheibe aufschlägt, trifft dieser bei einer Kollisionsgeschwindigkeit von 100 km/h an der Dachkante auf. Je höher also die Kollisionsgeschwindigkeit, desto weiter bewegt sich der Kopf entlang der Fahrzeugkontur.
Auch das Becken wird bei der höheren Kollisionsgeschwindigkeit weiter angehoben, was teilweise auf das ausgedehnte Dehnungsverhalten des Biofidel-Dummys zurückzuführen ist.
[b]4.1.2 Zilina-Dummy[/b]
Das BILD 2 zeigt die Dummy-Trajektorien des Crashtests wh08.27. Hier war der Unterzieheffekt deutlich schwächer ausgeprägt. Dafür gibt es zwei Gründe. Einerseits war die Kollisionsgeschwindigkeit mit 40 km/h wesentlich geringer als die Kollisionsgeschwindigkeiten von 70 und 100 km/h, wie sie bei den Crashtests mit dem Biofidel-Dummy gewählt wurde, was automatisch dazu führt, dass der Effekt weniger zum Tragen kommt. Andererseits besteht der Zilina-Dummy aus Stahl, weshalb sich die "Knochen" des Dummys wesentlich weniger durchbiegen und sich der Körper nicht so an die Fahrzeugkontur anschmiegt, wie es beim biofidelen Dummy aufgrund seines Gewebe-Surrogates der Fall ist. Die unteren Extremitäten werden sofort vom Fahrzeug weggeschleudert und der Dummy rotiert um seinen Masseschwerpunkt auf die Motorhaube.
Die Kollision der Beine mit dem Stoßfänger ist elastisch. 0,02 s nach dem Aufprall wurde eine Geschwindigkeit von 44,87 km/h für das Bein berechnet. Unter Berücksichtigung der Kollisionsgeschwindigkeit von 40 km/h ergibt sich eine Stoßzahl k = 1,12. Normalerweise beläuft sich die Stoßzahl auf k

Ausgabe, Nr, Seite: VKU 05/2021 S. 172-187
Seitenanzahl: 16
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