Biomechanik - Simulation - Sicherheit im Entwicklungsprozess
E-Book, Deutsch, 432 Seiten, eBook
Reihe: ATZ/MTZ-Fachbuch
ISBN: 978-3-8348-9042-9
Verlag: Vieweg & Teubner
Format: PDF
Kopierschutz: Wasserzeichen (»Systemvoraussetzungen)
Hon.-Professor Dr.-Ing. Florian Kramer lehrt an der Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden (FH) das Fachgebiet Kraftfahrzeugsicherheit und Unfallanalytik.
Weitere Infos & Material
1;Vorwort zur zweiten Auflage;6
2;Danksagung;7
3;Inhaltsverzeichnis;9
4;1 Die passive Sicherheit;14
4.1;1.1 Sicherheitswissenschaftliche Grundbegriffe;14
4.2;1.2 Die passive Fahrzeug-Sicherheit als Teilgebiet der Straßenverkehrssicherheit;15
5;2 Unfallforschung;22
5.1;2.1 Unfalldatenerhebung und -statistik;24
5.1.1;2.1.1 Zielsetzung der Unfallstatistik;25
5.1.2;2.1.2 Polizeilich erhobene Unfalldaten;25
5.1.3;2.1.3 In depth-Untersuchungen;26
5.2;2.2 Unfallmechanik und -rekonstruktion;28
5.2.1;2.2.1 Rekonstruktion von Unfällen;29
5.2.2;2.2.2 Unfallschwere;31
5.3;2.3 Unfallanalyse;32
5.3.1;2.3.1 Aufklärung der Unfallursachen;33
5.3.2;2.3.2 Ableitung von Verbesserungsmaßnahmen;34
5.4;2.4 Strukturierung des Unfallgeschehens;36
5.4.1;2.4.1 Unfallart;37
5.4.2;2.4.2 Unfalltyp;39
5.4.3;2.4.3 Kollisionsart;41
5.4.4;2.4.4 Kollisionstyp;45
5.4.5;2.4.5 Aufprallart;50
5.4.6;2.4.6 Aufpralltyp;52
5.4.7;2.4.7 Belastungsart und Belastungstyp;54
5.4.8;2.4.8 Verletzungsart und Verletzungstyp;58
5.4.9;Literaturnachweis zu Kapitel 2;60
6;3 Biomechanik;62
6.1;3.1 Anatomie des menschlichen Körpers und Verletzungsmechanismen;62
6.1.1;3.1.1 Der Kopf;63
6.1.2;3.1.2 Die Wirbelsäule;68
6.1.3;3.1.3 Der Thorax;80
6.1.4;3.1.4 Das Abdomen und das Becken;88
6.2;3.2 Verletzungsschwere und deren Monetarisierung;107
6.2.1;3.2.1 Verletzungsschweregrad;108
6.2.2;3.2.2 Verletzungsskalierung nach AIS;109
6.2.3;3.2.3 Andere Verletzungsskalierungen;110
6.2.4;3.2.4 Monetäre Bewertung der Verletzungsschwere;112
6.3;3.3 Verletzungs- und Schutzkriterien;114
6.3.1;3.3.1 Definitionen;115
6.3.2;3.3.2 Untersuchungsmethoden zur Ermittlung von Schutzkriterien;118
6.3.3;3.3.3 Gesetzlich festgelegte Schutzkriterien;124
6.3.4;3.3.4 Schutzkriterien in der Diskussion;135
7;4 Sicherheitsmaßnahmen;156
7.1;4.1 Zielsetzung und Definitionen;156
7.1.1;4.1.1 Selbst- und Kontrahentenschutz;157
7.1.2;4.1.2 Wirkrichtung der Schutzmaßnahmen;158
7.2;4.2 Schutzprinzipien;158
7.2.1;4.2.1 Energetische Betrachtung;158
7.2.2;4.2.2 Wechselwirkung zwischen Frontal- und Seitenkollision;161
7.2.3;4.2.3 Kompatibilität;161
7.2.4;4.2.4 Prinzip des Geschwindigkeitsangleichs;170
7.2.5;4.2.5 Ride Down-Effekt;173
7.2.6;4.2.6 Out of Position-Situationen;175
7.3;4.3 Maßnahmen zum Selbstschutz;177
7.3.1;4.3.1 Karosserie und Deformationsstruktur;177
7.3.2;4.3.2 Gurtsysteme und -komponenten;183
7.3.3;4.3.3 Airbag-Systeme und -Komponenten;198
7.3.4;4.3.4 Insassenschutz-Systeme;213
7.3.5;4.3.5 Selbstschutzmaßnahmen für Zweirad-Fahrer;225
7.3.6;4.3.6 Selbstschutzmaßnahmen für Nutzfahrzeuge;230
7.4;4.4 Maßnahmen zum Kontrahentenschutz;236
7.4.1;4.4.1 Maßnahmen am PKW zum Schutz äußerer Verkehrsteilnehmer;236
7.4.2;4.4.2 Maßnahmen am NFZ zum Schutz von PKW-Insassen und äußeren Verkehrsteilnehmern;241
7.5;4.5 Nachkollisionäre und sonstige Sicherheitsmaßnahmen;246
7.6;Literaturnachweis zu Kapitel 4;253
8;5 Sensorik zur Unfalldetektierung;256
8.1;5.1 Entwicklung der Sensorik;257
8.1.1;5.1.1 Mechanische Sensoren;257
8.1.2;5.1.2 Elektromechanische Sensoren;258
8.1.3;5.1.3 Elektronische Sensoren;263
8.2;5.2 Seiten-Sensoren;271
8.2.1;5.2.1 Beschleunigungssensoren;272
8.2.2;5.2.2 Druck-Sensor;272
8.3;5.3 Up Front-Sensor;273
8.4;5.4 Systeme zur Insassen-Erkennung;274
8.4.1;5.4.1 Kindersitz-Erkennung;275
8.4.2;5.4.2 Sitzgebundene Systeme;276
8.4.3;5.4.3 Optische Systeme;278
8.4.4;5.4.4 Übersicht zu Insassen-Erkennungssystemen;278
8.5;5.5 PreCrash-Sensorik;279
8.6;5.6 Airbag-Elektronik;281
8.6.1;5.6.1 Spannungsversorgung und Energiereserve;283
8.6.2;5.6.2 Sensoren sowie Steuerungs- und Überwachungseinheiten;283
8.6.3;5.6.3 Zündungseinrichtung;283
8.6.4;5.6.4 Speicherung von Ereignisdaten;284
8.7;5.7 Sicherheitsanforderungen an die Airbag-Elektronik;284
8.7.1;5.7.1 Mechanische Systeme;285
8.7.2;5.7.2 Elektromechanische Systeme;285
8.7.3;5.7.3 Elektronische Systeme;286
8.7.4;5.7.4 Integritätslevel für die Zuverlässigkeit;290
8.8;5.8 Datenübertragung;291
8.8.1;5.8.1 Bus-Systeme;293
8.8.2;5.8.2 Bus-fähige Anzünder;296
8.9;5.9 Systemintegration hinsichtlich aktiver und passiver Sicherheit;297
9;6 Überprüfung und Bewertung der Sicherheit;299
9.1;6.1 Quantifizierung der Straßenverkehrssicherheit;299
9.2;6.2 Gesetzgebung;303
9.2.1;6.2.1 Vorschriften in Deutschland und in Europa;303
9.2.2;6.2.2 Vorschriften in den USA und anderen Staaten;305
9.2.3;6.2.3 Zusammenfassung der Vorschriften in verschiedenen Ländern;305
9.2.4;6.2.4 Künftige Vorschriften zur passiven Sicherheit;317
9.3;6.3 Bewertung auf der Basis der Unfallstatistik;319
9.3.1;6.3.1 Highway Loss Data Institute Report;319
9.3.2;6.3.2 FOLKSAM Report;320
9.3.3;6.3.3 Secondary Safety Rating System for Cars;320
9.4;6.4 Bewertung auf der Basis von experimentellen Untersuchungen;320
9.4.1;6.4.1 ADAC-Testverfahren zur passiven Sicherheit von PKW;323
9.4.2;6.4.2 Bewertung nach „auto motor und sport“ (ams-Test);324
9.4.3;6.4.3 Crash Worthiness Rating System for Cars (CWRSC);324
9.4.4;6.4.4 New Car Assessment Program (NCAP);325
9.4.5;6.4.5 Die Quantifizierung der passiven Sicherheit für PKW-Insassen und das Sicherheitskriterien-System SiKriS;330
9.5;6.5 Verletzungsfolgekosten und Sachschäden;335
9.6;Literaturnachweis zu Kapitel 6;339
10;7 Experimentelle Simulation;341
10.1;7.1 Versuchsarten;342
10.1.1;7.1.1 Fahrzeugversuche;342
10.1.2;7.1.2 Schlittenversuche;348
10.1.3;7.1.3 Komponentenversuche;351
10.2;7.2 Versuchseinrichtungen und -anlagen;354
10.3;7.3 Anthropometrische Testpuppen (Dummies);355
10.3.1;7.3.1 Anforderungen;356
10.3.2;7.3.2 Instrumentierung;357
10.3.3;7.3.3 Verwendete Dummies und ihr Einsatz;359
10.4;7.4 Messtechnik;363
10.4.1;7.4.1 Messkette;364
10.4.2;7.4.2 Messwert-Geber;364
10.4.3;7.4.3 Messdaten-Erfassung und -Verarbeitung;366
10.5;7.5 Film- und Beleuchtungstechnik;370
10.6;Literaturnachweis zu Kapitel 7;371
11;8 Rechnerische Simulation;374
11.1;8.1 Geschichte der rechnerischen Simulation;374
11.2;8.2 Berechnungsverfahren;376
11.2.1;8.2.1 Mehrkörper-Systeme mit dem Fokus „Insassensicherheit“;376
11.2.2;8.2.2 Mehrkörper-Systeme mit dem Fokus „Unfallrekonstruktion“;377
11.2.3;8.2.3 Finite-Elemente-Methode;378
11.2.4;8.2.4 Kontrollvolumen und Strömungssimulation;381
11.2.5;8.2.5 Gekoppelte Systeme;382
11.2.6;8.2.6 Hardware-Architekturen;385
11.2.7;8.2.7 Kommerzielle Programmsysteme;386
11.3;8.3 Berechnungsmodelle;386
11.3.1;8.3.1 Unfallrekonstruktion;387
11.3.2;8.3.2 Strukturberechnung;388
11.3.3;8.3.3 Insassensimulation mit Dummy-Modellen;392
11.3.4;8.3.4 Simulation von Fußgänger- und Zweirad-Kollisionen;396
11.3.5;8.3.5 Simulationen mit Modellen des menschlichen Körpers;400
11.4;8.4 Berechnungsbewertung;402
11.5;8.5 Rechnerische Optimierung im Bereich der passiven Sicherheit;403
11.6;Literaturnachweis zu Kapitel 8;405
12;9 Passive Sicherheit im Fahrzeugentwicklungsprozess;409
12.1;9.1 Prozessziele und Entwicklungsorganisation;410
12.2;9.2 Der Entwicklungsprozess;410
12.3;9.3 Qualität und deren Absicherung;412
12.4;9.4 Herausforderungen innerhalb der Projektarbeit;414
12.4.1;9.4.1 Gesetzliche Anforderungen;414
12.4.2;9.4.2 Rating-Anforderungen;417
12.5;9.5 Rechnerische Simulation und experimentelle Absicherung im Entwicklungsablauf;417
12.5.1;9.5.1 Einsatz der Entwicklungswerkzeuge;418
12.5.2;9.5.2 Absicherung neuer Technologien und Werkstoffe;424
12.5.3;9.5.3 Möglichkeiten und Grenzen;425
12.6;9.6 Integration der Unfallforschung in den Entwicklungsablauf am Beispiel Mercedes-Benz;426
12.7;Literaturnachweis zu Kapitel 9;430
13;Sachwortverzeichnis;431
Die passive Sicherheit.- Unfallforschung.- Biomechanik.- Sicherheitsmaßnahmen.- Sensorik zur Unfalldetektierung.- Überprüfung und Bewertung der Sicherheit.- Experimentelle Simulation.- Rechnerische Simulation.- Passive Sicherheit im Fahrzeugentwicklungsprozess.
8 Rechnerische Simulation (S. 361-362)
Für eine Zulassung im Straßenverkehr sind Fahrzeugversuche international vereinbart und gesetzlich vorgeschrieben. Mit der experimentellen Simulation werden nicht selten unerwartete Schwachstellen aufgedeckt. Nachteilig ist allerdings der Umstand, dass Testobjekte erst als Prototypen oder Muster vorliegen müssen, um experimentell überprüft werden zu können. Dies bedeutet nicht nur hohe Erstellungskosten, sondern auch einen hohen Zeitaufwand, der mit den immer kürzer werdenden Entwicklungszyklen neuer Fahrzeugtypen und -plattformen unvereinbar ist. Daher entwickelte sich die rechnerische Simulation hin zum entscheidenden und anerkannten Auslegungswerkzeug.
Die Anwendung reicht von der Konzeptphase bis hin zur Serienentwicklung und zeichnet sich durch ein hohes Maß an Zuverlässigkeit und Genauigkeit aus. Dies gilt für die statische und dynamische Berechnung des Fahrzeugverhaltens und der Komponenten des Insassenschutz-Systems als auch für die Simulation des Bewegungs- und Belastungsverhaltens von Insassen. Innerhalb dieser Crash-Mechanik-Simulation werden Rechenverfahren eingesetzt, die die zu untersuchende Komponente als deformierbar oder als gekoppelte Starrkörper annehmen.
Entsprechend nutzt man Programme aus dem Bereich der Finite-Elemente- Methode (FEM) bzw. Programme für Mehr-Körper-Systeme (MKS). Nach einer Zusammenfassung der geschichtlichen Entwicklung der Berechnungsverfahren werden die einzelnen mathematischen Methoden kurz umrissen. Daran schließt sich die Beschreibung von verwendeten Modellarten in den unterschiedlichen Berechnungsdisziplinen. Abschließend werden erforderliche Kriterien zur Bewertung einer Berechnung diskutiert und die Möglichkeiten der Optimierung von Systemen mittels Simulation erläutert. 8.1 Geschichte der rechnerischen Simulation Verwendet man MKS-Formulierungen, führt dies zu Systemen von gewöhnlichen Differentialgleichungen.
Eine noch heute aktuelle Gruppe von Algorithmen zur Lösung von Anfangswert-Problemen von gewöhnlichen Differentialgleichungen wurde Anfang des 20. Jahrhunderts, also vor der Entwicklung und Verbreitung von Computern, veröffentlicht. Die Methoden sind nach den Entwicklern, dem deutschen Mathematiker und Physiker Carle David Tolmé RUNGE (1856-1927), der in Göttingen lehrte und dem deutschen Mathematiker Martin Wilhelm KUTTA (1867-1944), der in Stuttgart lehrte, benannt. Die RUNGE-KUTTA-Verfahren sind aber noch nicht in der Lage, die in der Insassensicherheit auftretenden Gleichungen effektiv zu lösen.
Dazu wurden Mitte des 20. Jahrhunderts in Arbeiten von Charles CURTISS und Joseph HIRSCHFELDER Untersuchungen zu so genannten steifen Systemen gemacht. Verfahren zum Lösen des steifen Systems wie RUNGE-KUTTA-ROSENBROCK oder RUNGE-KUTTA-NYSTRÖM erlauben die Aufgaben numerisch zu lösen. Eines der ersten zweidimensionalen Insassen-Simulationsmodelle wurde 1963 in den USA durch CALSPAN von McHENRY unter der Bezeichnung CAL-2D aufgestellt und laufend weiterentwickelt, so entstanden z. B. das Programm ROS (Revised Occupant Simulation) von SEGAL im Jahre 1971, das Programm MODROS (Modified Revised Occupant Simulation) von DANFORTH und RANDALL 1972 und das Programm PSOS (Programm zur Simulation und Optimierung von Sicherheitsgurten) von NIEDERER 1977.
Parallel zum CALSPAN-Modell entwickelte ROBBINS das als MVMA-2D bezeichnete Modell, das von ihm und anderen Co-Autoren 1970 veröffentlicht wurde. Das an der Technischen Universität Berlin entwickelte Insassen-Crashmechanik- Rechenmodell ICMF wurde zwar in Forschungsprojekten intensiv angewandt, jedoch nie kommerziell vertrieben. Es geht ursprünglich zurück auf ein von ANSELM 1975 aufgestelltes Programm.
