Relevanz der Muskelsteifigkeit für die Insassensicherheit

Vereinfachte Frontalcrashsimulation im angespannten Muskelzustand des THUMSTM Version 5.

Erste Simulationsergebnisse zum VRU-Crashfall »Rollstuhlfahrer – Kraftfahrzeug«.

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Rainer Hoffmann (links) Geschäftsführer der carhs GmbH, überreicht Niclas Trube (rechts) den Young Scientist Award.

Nicht nur Materialien und Werkstoffe stehen bei Crashanwendungen im Fokus der Forschung, sondern vor allem der Mensch selbst, den es in einer Vielzahl möglicher Unfallszenarien zu schützen gilt. Zur Sicherheitsbewertung diverser Belastungsszenarien werden im Bereich Automotive zunehmend Menschmodelle eingesetzt. Ein prominenter Vertreter dieser Menschmodelle ist das kommerziell verfügbare THUMSTM (Total Human Model for Safety), das am EMI in der Version 5 verwendet wird.

Der Mensch im Fokus

 

Da Unfallopfer häufig auf den Aufprall vorbereitet sind, sind gewisse Muskelgruppen im Moment des Aufpralls nicht relaxiert, sondern angespannt, was durch vergangene Studien belegt wurde. Über kontrahierbare 1D-Elemente, die an die Knochen des THUMS-Modells anbinden, konnte dieser Umstand bereits für die Beeinflussung des Bewegungsapparats in der Vergangenheit umgesetzt werden. Dadurch kann der THUMS in der aktuellen Version erstmals aktive und reaktive Bewegungen während eines Crashpulses abbilden, wie beispielsweise das Abstützen am Lenkrad oder das Durchdrücken des Bremspedals. Diese Bewegungen sind bei realen Fahrern kurz vor und während des Aufpralls typisch.

In der Biologie spielen allerdings nicht nur die Verkürzung des Muskels während der Kontraktion und die daraus resultierende Bewegung des Skeletts eine Rolle, sondern auch eine Änderung der Materialeigenschaften: Der Muskel wird durch die Kontraktion steifer. Das Muskelgewebe im verwendeten Menschmodell ist allerdings in zwei voneinander unabhängige Systeme aufgeteilt: ein System aus kontrahierbaren 1D-Elementen, die die Bewegung des Skeletts an den Gelenken ermöglicht, und ein volumetrisches System, das den dreidimensionalen Muskel abbildet. Die angesprochene Steifigkeitszunahme des 3D-Muskels wird folglich nicht durch die Kontraktion der 1D-Elemente gesteuert. Allerdings ließe sich der Kontraktionsgrad des 1D-Systems für die Definition des Steifigkeitsgrads des 3D-Systems nutzen.

Studien zu 3D-Muskelsteifigkeitseffekten im THUMSTM v5

Da im Menschmodell standardmäßig ein entspannter Muskelzustand voreingestellt ist, müssen zunächst die richtigen Parameter für die Steifigkeitsgrade identifiziert werden. Entsprechend einer breiten Auswahl verfügbarer Literaturwerte zur Muskelsteifigkeit, wurde eine Skalierung der Steifigkeiten über mehrere Größenordnungen vorgenommen. Der Einfluss dieser Änderungen wurde anschließend im Rahmen einer Parameterstudie für einen simulierten frontalen Crashpuls untersucht.

Dabei zeigte sich, dass die Muskelsteifigkeit einen wesentlichen Einfluss auf das Verhalten der Fahrzeuginsassen hat und potenziell unterschiedliche Belastungen je nach Steifigkeitsgrad im Crashlastfall zu erwarten sind.

Ausblick

Diese Erkenntnisse bilden die Basis für weitere Anwendungen in individuellen Muskelmodellen, in ganzen Menschmodellen und auch in besonderen Anwendungsbereichen, wie beispielsweise Sitzkomfortanalysen, Studien zur Sicherheit von Vulnerable Road Users (VRU) sowie Anwendungen aus dem Bereich Sport und Medizintechnik. VRU umfassen alle leicht verletzbaren Verkehrsteilnehmer, wie beispielsweise Fußgänger und Radfahrer.

Die Berücksichtigung ihrer Sicherheit durch Automobilhersteller ist seit Januar 2019 in den Euro-NCAP-Richtlinien verankert.