+ All Categories
Home > Documents > Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de...

Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de...

Date post: 01-Nov-2019
Category:
Upload: others
View: 4 times
Download: 0 times
Share this document with a friend
81
Universitatea Transilvania din Brașov Școala Doctorală Interdisciplinară Centrul de cercetare: Produse High-Tech pentru Autovehicule Ing. Virgil POPA Stabilirea dinamicii accidentelor rutiere în funcție de mărimea avariilor și gravitatea leziunilor înregistrate la ocupanții autovehiculelor Assesing accident dynamics according to car damage and motor-vehicle occupant injury Conducător ştiinţific Prof.dr.ing. Tiberiu NAGY BRAȘOV, 2013
Transcript
Page 1: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

Universitatea Transilvania din Brașov

Școala Doctorală Interdisciplinară

Centrul de cercetare: Produse High-Tech pentru Autovehicule

Ing. Virgil POPA

Stabilirea dinamicii accidentelor rutiere în funcție de mărimea avariilor și gravitatea leziunilor înregistrate la

ocupanții autovehiculelor

Assesing accident dynamics according to car damage and motor-vehicle occupant injury

Conducător ştiinţific Prof.dr.ing. Tiberiu NAGY

BRAȘOV, 2013

Page 2: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

MINISTERUL EDUCAŢIEI, CERCETĂRII, TINERETULUI ŞI SPORTULUI UNIVERSITATEA “TRANSILVANIA” DIN BRAŞOV

BRAŞOV, B-DUL EROILOR NR. 29, 500036, TEL. 0040-268-413000, FAX 0040-268-410525

RECTORAT

D-lui (D-nei) ..............................................................................................................

COMPONENŢA Comisiei de doctorat

Numită prin ordinul Rectorului Universităţii „Transilvania” din Braşov Nr. 5411 din 24. 09. 2012

PREŞEDINTE:

Prof. univ. dr. ing. Anghel CHIRU Universitatea Transilvania din Brașov

CONDUCĂTOR ŞTIINŢIFIC:

Prof. univ. dr. ing. Tiberiu NAGY Universitatea Transilvania din Brașov

REFERENŢI:

Prof. univ. dr.ing. Nicolae FILIP Universitatea Tehnică din Cluj Napoca Prof. univ. dr. ing. Alexandru BOROIU Universitatea din Pitești Prof. univ. dr. ing. Nicolae ISPAS Universitatea Transilvania din Brașov

Data, ora şi locul susţinerii publice a tezei de doctorat: 26.02.2013, ora 11.00, sala INA, Corpul N.

Eventualele aprecieri sau observaţii asupra conţinutului lucrării vă rugăm

să le transmiteţi în timp util, pe adresa: [email protected].

Totodată vă invităm să luaţi parte la şedinţa publică de susţinere a tezei de doctorat.

Vă mulţumim.

Page 3: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

CUPRINS

1. Stadiul actual al cercetărilor privind Studiul cinematicii și dinamicii accidentelor rutiere ................................................................................................................................................7

1.1 Generalități privind accidentele rutiere .......................................................................... 7 1.1.1 Definirea acidentului rutier ................................................................................. 7 1.1.2 Clasificarea accidentelor rutiere ......................................................................... 7

1.2 Statistica accidentelor rutiere ........................................................................................ 7 1.2.1 Statistica accidentelor rutiere în Romania .......................................................... 7 1.2.2 Statistica accidentelor rutiere în UE ................................................................... 8

1.3 Cinematica și dinamica accidentelor rutiere .................................................................. 8 1.3.1 Factorii determinanți pentru siguranța ocupantilor ............................................. 8

1.4 Criterii de vătămare a ocupanților ............................................................................... 10 1.4.1 Scala de evaluare a vătămărilor AIS ................................................................ 10 1.4.2 Criterii de vătămare ......................................................................................... 10

1.5 Cercetarea accidentelor rutiere prin prisma deformațiilor autovehiculelor și a gradului de vătămare al ocupanților ..................................................................................................... 11

1.5.1 Considerații generale ....................................................................................... 11 1.5.2 Influența energiei consumate în coliziune și a variației vitezei vehiculului asupra

gradului de vătămare al ocupanților .................................................................................... 12 1.5.3 Riscul de vătămare al ocupantului la impact frontal ......................................... 13

1.6 Obiectivele tezei .......................................................................................................... 14 2. Studiul teoretic al coliziunii autovehiculelor și al cinematicii ocupantului la impact 15

2.1 Considerațiii privind coliziunea autovehiculelor. Fazele coliziunii ................................ 15 2.2 Dinamica fazei coliziunii autovehiculelor ..................................................................... 15

2.2.1 Determinarea vitezelor de impact prin metoda simulării ................................... 15 2.2.2 Coeficientul de restituire .................................................................................. 16 2.2.3 Relația analitică dintre varaiația vitezei de coliziune (ΔV) și viteza echivalentă

energiei de deformare (EBS) .............................................................................................. 16 2.2.4 Variația vitezelor în coliziunile centrice ............................................................ 17

2.3 Calculul energiei de deformare ................................................................................... 17 2.3.1 Metode și modele de deformație ...................................................................... 17 2.3.2 Modelul static bazat pe caracteristica liniară forţă-deformaţie .......................... 17 2.3.3 Coeficienții de rigiditate ai autovehiculelor ....................................................... 18 2.3.4 Determinarea coeficienților de rigiditate ai autovehiculelor pe baza testelor de

coliziune...... ....................................................................................................................... 18 2.3.5 Deformația statică și deformația dinamică. Energia de deformare ................... 19 2.3.6 Factorul energiei de deformare ........................................................................ 19 2.3.7 Măsurarea profilului deformat la autovehicule .................................................. 19 2.3.8 Cinematica ocupantului în interiorul autovehiculului la impact .......................... 20 2.3.9 Biomecanica ocupantului la impact frontal ....................................................... 21 2.3.10 Biomecanica ocupantului la impact din spate .................................................. 21 2.3.11 Biomecanica ocupantului la impact lateral ....................................................... 22 2.3.12 Modele pentru studiul biomecanicii impactului ................................................. 22

3. Stabilirea corelației Dintre energia de deformare și gradul de vătămare al ocupanților la impact frontal ....................................................................................................................... 24

3.1 Influența energiei de deformare asupra gradului de vătămare al ocupanților la impact frontal... .................................................................................................................................. 24

3.2 Studiul statistic al mecanismelor de vătămare a ocupantului la impact frontal ............. 25 3.2.1 Considerații privind studiul mecanismelor de vătămare prin metode statistice . 25 3.2.2 Analiza cazuistică și prelucrarea datelor statistice ........................................... 25 3.2.3 Analiza și interpretarea datelor ........................................................................ 25

3.3 Cercetări privind influența eficacității sistemelor de siguranță pasivă asupra riscului de vătămare ................................................................................................................................ 26

3.3.1 Criterii criterii utilizate în analiza riscului de vătămare ...................................... 26 3.3.2 Parametri de apreciere a eficienței sistemelor de siguranță pasivă .................. 27

Page 4: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

3.3.3 Analiza cazuistică ............................................................................................ 28 3.3.4 Analiza și interpretarea datelor ........................................................................ 29 3.3.5 Analiza statistică a datelor ............................................................................... 29

3.4 Determinarea pe cale analitică a influenței energiei de deformare asupra riscului de vătămare a ocupantului la impact frontal ................................................................................ 32 4. Modelarea matematică a sistemului integrat pentru studiul impactului frontal .......... 35

4.1 Analiza sistemului vehicul-ocupant. Energia cinetică a ocupantului ............................. 35 4.2 Obiectivele modelării matematice................................................................................ 36 4.3 Etapele modelării matematice ..................................................................................... 36

4.3.1 Modelarea matematică a impactului frontal dintre două autovehicule .............. 36 4.3.2 Modelarea matematică a impactului ocupant-vehicul ....................................... 37 4.3.3 Realizarea modelului integrat pentru studiul impactului frontal ......................... 39 4.3.4 Datele de intrare in modelul matematic ............................................................ 40

5. Metodica cercetării experimentale .................................................................................. 41 5.1 Stabilirea scenariului de testare experimentală ........................................................... 41

5.1.1 Obiectivele studiului experimental.................................................................... 41 5.1.2 Programul încercărilor ..................................................................................... 41 5.1.3 Scenarii de coliziune ........................................................................................ 41

5.2 Pregătirea experimentului ........................................................................................... 42 5.2.1 Determinarea parametrilor tehnici ai autovehiculelor destinate încercărilor ...... 42 5.2.2 Pregătirea poligonului de încercări. .................................................................. 42 5.2.3 Pregătirea autovehiculelor ............................................................................... 43 5.2.4 Pregătirea ocupanților celor două autovehicule ............................................... 44 5.2.5 Pregătirea aparaturii de achiziție date .............................................................. 45 5.2.6 Stabilirea condițiilor mediului de testare ........................................................... 47

5.3 Desfășurarea experimentului ...................................................................................... 48 5.3.1 Etapele desfășurării testelor de coliziune ......................................................... 48 5.3.2 Desfășurarea testului 1- impact din spate ........................................................ 48 5.3.3 Desfășurarea testului 2- impact lateral ............................................................. 49 5.3.4 Desfășurarea testului 3 - impact frontal ........................................................... 50 5.3.5 Concluzii privind desfășurarea cercetării experimentale .................................. 51

6. Achiziția, analiza și corelarea datelor experimentale cu rezultatele modelării matematice ...............................................................................................................................................52

6.1 Achiziția datelor ........................................................................................................... 52 6.1.1 Procedura de achiziție a datelor experimentale ............................................... 52 6.1.2 Achiziția datelor din testul 1 ............................................................................. 52 6.1.3 Achiziția datelor din testul 2 ............................................................................. 53 6.1.4 Achiziția datelor din testul 3 ............................................................................. 54

6.2 Prelucrarea datelor și interpretarea rezultatelor........................................................... 55 6.2.1 Date prelucrate și obiectivele urmărite ............................................................. 55 6.2.2 Prelucrarea și analiza datelor experimentale din testul 1 ................................. 55 6.2.3 Prelucrarea și analiza datelor experimentale din testul 2 ................................. 56 6.2.4 Prelucrarea și analiza datelor experimentale din testul 3 ................................. 61 6.2.5 Studiul cinematicii și dinamicii impactului frontal pe baza probelor video ......... 65 6.2.6 Determinarea amplitudinii deformațiilor autovehiculelor și calculul energiei de

deformare... ........................................................................................................................ 67 6.3 Corelarea datelor teoretice cu rezultatele cercetării experimentale ............................. 70

7. Concluzii. Contribuții personale. Direcții viitoare de cercetare. ................................... 72 7.1 Concluzii ..................................................................................................................... 72 7.2 Contribuții personale ................................................................................................... 74 7.3 Direcții viitoare de cercetare ........................................................................................ 75 7.4 Utilitatea rezultatelor cercetării în cadrul cercetării științifice și aplicative ..................... 75

Bibliografie ........................................................................................................................... 76

Page 5: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

5

Introducere

În condițiile dezvoltării tehnologice actuale, automobilul a devenit unul dintre lucrurile indispensabile ale vieții cotidiene. Creșterea numărului de autovehicule și dezvoltarea infrastructurii rutiere au condus la intensificarea traficului rutier, și odată cu acesta la creșterea numărului de accidente rutiere. Astfel, cercetarea evenimentelor rutiere reprezintă un domeniu de actualitate, care trebuie să se adapteze permanent evoluției tehnologice din sfera transportului rutier.

Obiectivele cercetării accidentelor rutiere vizează aspecte privind determinarea vitezelor autovehiculelor din momentul anterior impactului și a pozițiilor acestora în momentul impactului, descrierea dinamicii evenimentului și analiza posibilităților de evitare a acestuia. De cele mai multe ori, scopul cercetării constă în stabilirea răspunderii materiale și/sau penale a persoanelor implicate în eveniment.

Pentru cercetarea accidentelor rutiere se folosește, de regulă, metoda reconstituirii retrospective care are la bază datele primare achiziționate cu ocazia cercetării efectuate la locul evenimentului, respectiv cu ocazia inspecției autovehiculelor și analizei raportelor medico-legale privind vătămarea persoanelor. Datele primare se referă la geometria locului evenimentului, identificarea urmelor materiale, pozițiile finale ale vehiculelor și ale victimelor, caracteristicile și avariile vehiculelor, leziunile victimelor.

Există însă situații în care, la momentul reconstitiurii evenimentului rutier, datele primare folosite în mod uzual nu sunt disponibile sau sunt neconcludente. În aceste condiții, cercetarea evenimentului se realizează pe baza unui număr mai redus de date primare sau pe baza unor date de o calitate slabă. Dintre datele primare enumerate ca fiind uzuale în cercetarea eveimentelor rutiere, datele referitoare la avariile autovehiculelor și cele referitoare la vătămările persoanelor sunt disponibile cel mai frecvent. Avariile autovehiculelor sunt menționate în documentele eliberate de către organele poliției sau în formularele de constatare amiabilă întocmite cu ocazia producerii evenimentului și se regăsesc în gestiunea societăților de asigurare sau în dosarele întocmite de organele de cercetare penală. Mai mult, societățile se asigurare, în procesul de lichidare a daunelor la autovehicule efectuează constatarea avariilor, întocmind procesul verbal de constatare și efectuează fotografii în care sunt surprinse datele de identificare și elementele avariate ale autovehiculului. În cadrul investigațiilor proprii, societățile de asigurare efectuaeză inspecția ambelor autovehicule implicate în eveniment și efectuează cercetări în vederea stabilirii dinamicii evenimentului și a răspunderii în ceea ce privește producerea acestuia. În cazul accidentelor care au avut ca urmare vătămarea sau decesul persoanelor, datele primare referitoare la leziunile suferite de victime sunt menționate în rapoartele medico-legale sau în fișele de spitalizare.

În acest sens utilizarea, în procesul de reconstituire a coliziunii autovehiculelor, a datelor primare referitoare la amplitudinea deformațiilor remanente ale structurii autovehiculelor și a leziunilor suferite de ocupanții acestora, pot contribui în mod substanțial la atingerea obiectivelor cercetării evenimetelor rutiere.

Pe baza acestor considerente au fost stabilite principalele obiective ale tezei de doctorat:

Stabilirea energiei de deformare a structurii constructive a autovehiculelor implicate în accidente rutiere și reflectarea acesteia prin amplitudinea deformațiilor înregistrate la elementele de caroserie.

Analiza comportării ocupanților în interiorul autovehiculului în timpul evenimentelor rutiere prin metode și mijloace de biomecanică.

Aprecierea eficienței protecției ocupanților în habitaclul autovehiculelor în timpul accidentelor rutiere cu diferite mijloace tehnice adecvate.

Page 6: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

6

Evidențierea corelației dintre mărimea energiei de deformare absorbită de autovehicule și gravitatea vătămărilor suferite de ocupanți.

Posibilitatea utilizării corelației dintre energia de deformare a autovehiculelor și gravitatea vătămărilor suferite de ocupanți în situația lipsei unor probe evidente necesare reconstituirii evenimentului. Testarea veridicității rezultatelor obținute în evaluarea teoretică a parametrilor dinamici și biomecanici ai evenimentului rutier.

Posibilitatea dezvăluirii unor “falsuri” privind declararea la societătile de asigurări a unor avarii exagerat de mari la autovehicule implicate în evenimente rutiere în neconcordanță cu garadul de vătămare al ocupanților.

Motivația principală pentru studiul aspectelor menționate vine din dorința de a da un răspuns unei situații mereu controversate pe care, în decursul unei activități de peste 15 ani de lichidare a daunelor la autovehicule, desfășurate la ASIROM V.I.G, am întâlnit-o în mod frecvent. Este vorba de situațiile în care se solicitată despăgubiri materiale însemnate ca urmare a avarierii grave a autovehiculelor, fără ca ocupanții acestora să fi suferit vătămări. În astfel de cazuri asiguratorul trebuie să aleagă între a da curs unei cereri de despăgubire neîntemeiate sau a refuza plata despăgubirii pe cale amiabilă.

În scopul realizării obiectivelor menționate anterior, lucrarea a fost structurată

astfel: În Capitolul 1 este prezentat stadiul actual al cercetării accidentelor rutiere și

considerații privind stabilirea dinamicii accidentelor pe baza deformațiilor autovehiculelor și a gradului de vătămare al ocupanților.

Capitolul 2 cuprinde studiul teoretic al coliziunii autovehiculelor, metodele de cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile de vătămare.

În Capitolul 3 sunt cuprinse studiile efectuate pentru determinărea corelațiilor dintre energia consumată pentru deformarea structurii constructive a autovehiculelor și gradul de vătămare al ocupanților, în cazul accidentelor rutiere, respectiv riscul de vătămare, în cazul testelor de coliziune.

Capitolul 4 este destinat realizării modelului matematic integrat, pentru determinarea riscului de vătămare la impact frontal pe baza parametrilor cinematici ai ocupantului.

Capitolul 5 cuprinde descrierea etapelor cercetării experimentale și prezentarea aparaturii utilizate.

În Capitolul 6 sunt prezentate tehnicile de achiziție și prelucrare a datelor experimentale, rezulatatele cercetării experimantale și corelarea acestora cu rezultatele modelării matematice.

Capitolul 7 este rezervat concluziilor finale, contribuțiiilor personale și direcțiilor viitoare de cercetare.

De asemenea, lucrarea cuprinde Anexe și Bibliografia aferentă tematicii de cercetare.

Pe această cale, autorul aduce deosebite mulțumiri d-lui Prof.univ.dr.ing Tiberiu NAGY, care a coordonat și a contribuit activ la realizarea prezentei lucrări, d-lui Prof.univ.dr.ing Nicolae ISPAS care a coordonat cercetarea experimentală, precum și membrilor Cadrei de Autovehicule Rutiere de la Universitatea din Brașov care au contribuit la realizarea experimentului: Șef Lucrări dr.ing Daniel Trușcă, Șef Lucrări dr.ing George Togănel, Șef Lucrări dr.ing Dorin Dumitrașcu și dr.ing Dinu Covaciu.

Page 7: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

7

1. STADIUL ACTUAL AL CERCETĂRILOR PRIVIND STUDIUL CINEMATICII ȘI DINAMICII ACCIDENTELOR RUTIERE

1.1 Generalități privind accidentele rutiere

1.1.1 Definirea acidentului rutier

Accidentul rutier este un eveniment produs pe drumurile publice, constând din coliziunea a două sau mai multe vehicule, ori a unui vehicul cu un alt obstacol, lovirea sau călcarea pietonilor, bicicliștilor sau altor participanți la trafic și având ca rezultat vătămarea integritătii corporale ori moartea unor persoane, pagube materiale, precum si stânjenirea circulatiei.

1.1.2 Clasificarea accidentelor rutiere

Accidentete rutiere pot fi clasificate după diverse criterii, dar în contextul prezentei lucrări cele mai elocvente criterii de clasificare sunt următoarele:

a. Clasificarea după gravitatea vătămării persoanelor:

accidente grave;

accidente ușoare; b. Clasificarea după tipul coliziunii.

Accidentele rutiere sunt clasificate după tipul partenerilor de coliziune în accidente de tip:

vehicul – vehicul;

vehicul – mediu înconjurător;

vehicul – pieton;

vehicul – alt participant la traficul rutier; c. Clasificarea după configurația impactului.

Accidentele specifice impactului de tip vehicul-vehicul și pot fi:

cu impact frontal;

cu impact lateral;

cu impact din spate;

cu impact oblic; d. Clasificarea după factorul determinant în producerea accidentului.

Ca factor determinant al producerii accidentelor rutiere pot fi considerati:

factorul uman;

autovehicul;

factorii de mediu.

1.2 Statistica accidentelor rutiere

1.2.1 Statistica accidentelor rutiere în Romania

Conform datelor furnizate de Ministerul Administrației și Internelor prin Inspectoratul General al Poliției, situația accidentelor rutiere grave din România care au avut loc în perioada 2001-2011 este prezentată în graficul din Figura 1.1.

Creșterea numărului de accidente rutiere grave care au avut loc în Romania în perioada 2006-2008, se explică prin creșterea parcului național de autovehicule, pe fondul unei infrastructuri rutiere învechite, care nu mai corespundea traficului rutier crescut, pe de o parte, și prin lipsa unor măsuri legislative stricte privind circulația rutieră, respectiv neaplicarea corespunzătoare a normelor legislative existente, pe de altă parte.

Page 8: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

8

Figura 1.1. Situația statistică a accidentelor rutiere grave din Romania în perioada 2001-2011. Sursa:

www.politiaromana.ro

1.2.2 Statistica accidentelor rutiere în UE

Într-o clasificare după numărul persoanelor decedate la 1.000.000 de locuitori ca urmare a accidentelor rutiere care au avut loc în anul 2008 în statele Uniunii Europene, România se situează pe poziția a treia cu aproximativ 140 de persoane decedate / 1.000.000 locuitori, media în statele UE fiind de 75 persoane decedate / 1.000.000 locuitori (Figura 1.2)

Figura 1.2. Numărul persoanelor decedate în accidente rutiere. UE-2008 [94]

Câteva dintre cauzele care stau la baza numărului mare de accidente rutiere din Romania comparativ cu alte state ale Uniunii Europene sunt: infrastructura rutieră națională insuficient de dezvoltată în raport cu parcul de autovehicule, nerespectarea de către mulți participanți la trafic a normelor de circulație rutieră și starea tehnică a vehiculelor.

1.3 Cinematica și dinamica accidentelor rutiere

1.3.1 Factorii determinanți pentru siguranța ocupantilor

Din punct de vedere al siguranţei în trafic, autovehiculul este caracterizat de siguranţa activă şi siguranţa pasivă. Siguranța activă este definită de ansamblul funcțiilor autovehiculului care au rolul de a preveni sau de a evita producerea accidentelor rutiere. Siguranța pasivă a autovehiculului poate fi definită ca totalitatea funcțiilor unui autovehicul de a proteja viața și integritatea corporală a pasagerilor și a

Page 9: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

9

persoanelor din afara autovehiculului (pietoni, bicicliști, motocicliști, etc) atât în timpul accidentului cât și după producerea acestuia. Rolul siguranței pasive este acela de a reduce consecințele accidentelor rutiere.

Siguranța pasivă exterioară include ansamblul măsurilor luate de proiectantul autovehiculului în scopul pretejării celorlalti participanți al traficul rutier, aflați înafara autovehiculului, în situația unui accident rutier. Principalii factori care determină siguranța exterioară sunt forma exterioară a autovehiculului și comportamentul la deformare al caroseriei [93].

Siguranța pasivă interioară a autovehiculului cuprinde ansamblul măsurilor implementate în conceptul constructiv al autovehiculului, menite să asigure reducerea gradului de vătămare al pasagerilor și supraviețuirea acestora prin minimizarea accelerațiilor și forțelor care acționează asupra lor în cazul unui accident și prin asigurarea spațiului de supraviețuire și a posibilităților de salvare, după accident.

Factorii determinanți pentru siguranța ocupanților autovehiculului sunt: - comportamentul caroseriei la deformare; - sistemele de reținere a pasagerilor; - comportamentul la impact al elementelor interioare ale habitaclului; - protecția habitaclului la penetrare din exterior; - spațiul vital al ocupanților în timpul impactului și după impact; - sistemul de direcție; - protecția împotriva incendiului. O caroserie capabilă să preia cât mai mult din energia de șoc din timpul unei

coliziuni este principalul element de siguranță pasivă. Toate elementele de siguranță pasivă (structura deformabilă, centurile de siguranță, airbag-urile, tetierele, etc.) intervin după ce coliziunea a început, spre deosebire de sistemele de siguranță activă care sunt importante înainte de coliziune. Cu alte cuvinte, siguranța activă are rol preventiv, pe când cea pasivă are rol de protectie, dacă accidentul are loc [98].

Reconstituirea retrospectivă a accidentelor rutiere se face pe baza datelor primare obținute din cercetarea accidentului la fața locului [18]. Datele primare achiziționate se referă la:

- geometria locului de producere a accidentului și localizarea urmelor materiale;

- pozițiile finale ale autovehiculelor (și eventual ale ocupanților decedați sau răniți);

- caracteristicile și avariile auovehiculelor implicate în accident; - leziunile victimelor. Reconstituirea retrospectivă presupune analiza evenimentului în sens invers

desfășurării lui în timp, considerând impactul compus din trei faze principale: faza post-coliziune, coliziunea propriu-zisă și faza ante-coliziune. Analiza fazei post-coliziune cuprinde stabilirea pozițiilor vehiculelor, a traiectorilor și vitezelor acestora din poziția finală până la ieșirea din impact. Analiza impactului cuprinde momentul coliziunii și se rezolvă cu metode bazate pe legea conservării energiei. Faza antecoliziune se analizează prin prisma posibilităților de evitarea a accidentului pe baza datelor rezultate din analiza fazei coliziunii.

O analiză mai detaliată a fazei coliziunii autovehiculelor face obiectul capitolului al doilea din prezenta lucrare.

Page 10: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

10

1.4 Criterii de vătămare a ocupanților

1.4.1 Scala de evaluare a vătămărilor AIS

Scala de evaluare a vătămărilor AIS1 este un sistem de evaluare anatomic introdus pentru prima oară în anul 1969. De atunci, acest sistem a fost permenent revizuit și actualizat. În Tabelul 1.1. este prezentată scala de vătămare AIS.

Tabelul 1.1.

Codul AIS Gradul de vătămare Șansa de supraviețuire

1 Minor 100%

2 Moderat 99,6% - 99,9%

3 Serios (fără amenințarea vieții) 97,9% - 99,2%

4 Sever (cu amenințarea vieții) 89,4% - 92,1%

5 Critic (supraviețuire nesigură) 41,6% - 46,9%

6 Fatal 0%

Codificarea AIS, este o scală de la 1 la 6 , pe care cifra 1 reprezintă vătămări

individuale minore iar cifra 6 reprezintă vătămari individuale care sunt o amenințare la adresa vieții. Codul 6 nu reprezintă decesul persoanei, ci înseamnă o vătămare cu o letalitate foarte mare.

Codificarea AIS permite localizarea vătămării, identificarea tipului structurii anatomice, a componentei din structura respectivă și a tipului vătămării, și arată nivelul de vătămare.

1.4.2 Criterii de vătămare

Criteriul de vătămare reprezintă, la modul general, estimarea potențialul de vătămare.În general, se folosesc două tipuri de criterii de vătămare pentru evaluarea riscului de vătămare a ocupantului: criterii de vătămare bazate pe cinematica vehiculului și criterii de vătămare bazate pe cinematica ocupantului.

A. Criterii de vătămare bazate pe vehicul [32] În acest caz, estimarea potențialului de vătămare a ocupantului se face doar pe

baza răspunsului vehiculului în timpul impactului. Criteriile prin care se estimează potențialul de vătămare sunt:

A1. Criteriul Delta-V Δv este o măsură a severității impactului definită ca variația totală a vitezei

vehiculului în timpul impactului. A2. Criteriul accelerației medii Accelerația medie longitudinală, laterală sau totală calculată în intervalul de 50

ms este parametrul utilizat în criteriul accelerații medii. A3. Criteriul masei concentrate libere Acest model presupune că severitatea vătămării ocupantului este dependentă

de viteza de impact dintre ocupant și vehicul și de accelerația ocupantului. A4. Idexul severității accelerației (ASI) De bazează pe accelerațiile vehiculului măsurate în timpul testelor. B. Criterii de vătămare bazate pe ATD2 [87] ATD este modelul mecanic, manechinul de test, folosit într-un mod repetitiv

1 Abbreviated Injury Scale

2 Antrophometric Test Device

Page 11: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

11

pentru estimarea potențialului de vătămare. Potențialul de vătămare este evaluat pe zone ale corpului uman pe baza măsurării accelerațiilor și deplasărilor manechinului în timpul impactului.

B1. Criterii utilizate pentru estimarea riscului de vătămare a capului.

Criteriul de vătămare a capului - HIC

Criteriul de performanță – HIC(d)

Criteriul de performanță a capului - HPC

Durata de contact a capului la impact HCD B2. Criterii utilizate pentru estimarea riscului de de vătămare a gâtului:

Criteriul Momentului Total al Condilului Occipital (MOC)

Criteriul Momentului Total (MTO)

Criteriul de vătămare a gâtului (NIC) la impact frontal

Criteriul de vătămare a gâtului (NIC) la impact din spate B3. Criterii utilizate pentru estimarea riscului de vătămare a toracelui

Criteriul de vâscozitate (VC)

Criteriul de deformare al toracelui (RDC)

Criteriul de performanță al toracelui (THPC)

Indexul de vătămare toracică (TTI(d))

Criteriul de acceptabilitate al toracelui (ThAC) B4. Criterii utilizate pentru estimarea riscului de vătămare a membrelor

Criteriul forței din femur (FFC)

Indexul tibiei (TI)

1.5 Cercetarea accidentelor rutiere prin prisma deformațiilor autovehiculelor și a gradului de vătămare al ocupanților

1.5.1 Considerații generale

Deformarea caroseriei autovehiculelor și vătămarea ocupanților sunt elemente caracteristice fazei coliziunii. Se pune astfel problema determinării unei corelații, chiar și cu unele limite de aplicare, între amplitudinea avariilor autovehicului și nivelul de vătămare al ocupanților care ar fi utilă în sensul clarificării sau confirmării rezultatelor analizei fazei de coliziune în cadrul reconstituirii accidentelor rutiere

Într-un interval de timp foarte scurt, de ordinul a 70 până la 200 ms, în funcție de tipul impactului, are loc atât deformarea autovehiculelor implicate în coliziune, cât și vătămarea ocupanților. Desigur, parametrul comun acestor două procese este energia cinetică.

Similar, analizând sistemul format din autovehicul și ocupantul acestuia, energia cinetică inițială a sistemului este compusă din energia cinetică a autovehiculului și energia cinetică a ocupantului. În timpul impactului, o parte din energia cinetică inițială a autovehiculului de transformă în energie de deformare și cealaltă parte este consumată prin deplasarea autovehiculului în faza de postcoliziune. În sistemul de referință asociat autovehiculului, energia cinetică inițială a ocupantului este nulă întrucât nu există deplasare relativă între ocupant și vehicul. Pe durata impactului, datorită decelerării bruște a autovehiculului, ocupantul se deplasează în raport cu acesta, pe direcția forței principale de impact. Energia cinetică asociată mișcării relative ocupant-vehicul crește astfel la valoarea maximă, egală cu semiprodusul dintre masa ocupantului și viteza relativă ocupant-vehicul. Energia cinetică relativă a ocupantului se transformă parțial în alte forme de energie cum ar fi:

- lucrul mecanic al forțelor de frecare dintre ocupant și scaun; - lucrul mecanic al forțelor de reacțiune musculară la sprijinirea ocupantului cu

ajutorul membrelor inferioare în podeaua autovehiclului respectiv a membrelor

Page 12: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

12

superioare în volan, planșa de bord, mânerul pentru sprijinul cu ajutorul mâinii, cotieră, etc;

- energia absorbită de sistemele de reținere a ocupantului: centură de siguranță, airbag protecție pentru genunchi, tetieră, etc;

- energia de deformare a componentelor interioare ale autovehiculului: planșa de bord, panourile ușilor, scaunele, coloana volanului și volanul, protecția pentru genunchi, alte panouri și capitonaje interioare ale habitaclului;

Acea parte din energia cinetică relativă a ocupantului netransformată în alte forme de energie este este preluată de corpul ocupantului și se consumă prin deformarea acestuia. Forțele specifice lucrului mecanic de deformare a corpului ocupantului reprezintă factorul determinant în producerea vătămarilor, când valoarile acestora depășesc limitele de toleranță ale diferitelor părți ale corpului uman. Forțele care produc vătămarea sunt aplicate asupra corpului ocupantului în procesele de interacțiune cu sistemele de reținere și în impactul dintre ocupant și elementele interioare ale habiaclului.

Managementul energiei cinetice, luând în considerare ecuația energiei cinetice ((1.1), se poate realiza prin managementul vitezei.

(1.1)

Energia consumată pentru deformarea structurii constructive a autovehiculelor implicate în coliziune caracterizează severitatea impactului, pe de o parte și performanțele structurii de absorție a energiei cinetice prin deformare, pe de altă parte.

Corelarea dintre amplitudinea, forma și localizarea deformațiilor autovehiculului, pe de o parte și gradul de vătămare al ocupanților, tipul și localizarea leziunilor acestora, pe de altă parte, poate confirma sau infirma rezultatele cercetării retrospective a accidentelor rutiere. Mai mult, în situațiile în care probele necesare reconstituirii nu sunt suficiente sau nu sunt evidente, o astfel de corelație poate conduce la soluționarea cercetării evenimentului.

1.5.2 Influența energiei consumate în coliziune și a variației vitezei vehiculului asupra gradului de vătămare al ocupanților

Conform unui studiu efectuat de către o echipă de cercetători din SUA [82], au fost evidențiate efectele energiei consumate în coliziune și a variației vitezei vehiculului asupra nivelului de vătămare al ocupanților

Din analiza statistică a datelor selectate se poate concluziona că indiferent de tipul impactului, frontal sau lateral, cu cât Δv1 este mai mare, cu atât și energia totală consumată în coliziune este mai mare.

Pentru coliziunile frontale și laterale între autovehicule de aceeași clasă, sedan-sedan, variația energiei totale disipate în coliziune în funcție de ΔV1 este evidențiată în graficul din Figura 1.3.

Analiza coliziunilor frontale de tipul vehicul-vehicul (coliziunile sedan-sedan și sedan-SUV), a scos în evidență următoarele aspecte:

- dintre cei 192 de ocupanți, complet neprotejați de sistemele de reținere (centură de siguranță sau/și airbag), implicați în coliziunile frontale în care parametrul Δv1 a depășît pragul de 48 km/h, niciunul nu a supraviețuit;

- dintre cei 166 de ocupanți, complet neprotejați de sistemele de reținere, implicați în coliziunile laterale în care variația vitezei, Δv1 a fost mai mare de 48 km/h, doar doi au au supraviețuit;

Page 13: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

13

Figura 1.3. Caracteristicile energiei de deformare totale în funcție de ΔV1 pentru coliziunile frontale și

laterale între autoturisme din clasa sedan 3

Se poate concluziona faptul că peste pragul de variație a vitezei autovehiculului în timpul impactului Δv1=48 km/h, șansele de supraviețuire ale ocupanților aflați pe locurile din față ale autovehiculului și neprotejați de sistemele de reținere, sunt practic inexistente.

1.5.3 Riscul de vătămare al ocupantului la impact frontal

Cercetările efectuate de Evans în 1994, Larsson-1996, Buzeman -1998 și Viano -1999 [12] [29], pentru determinarea unei corelații între riscul de vătămare al ocupantului la impact frontal și parametri impactului au evidențiat dependența direct proporțională a riscului de vătămare IR4, respectiv a riscului de deces FR5 de variația vitezei vehiculului în timpul impactului (Δv). Creșterea parametrului Δv influențează creșterea exponențială a riscului de vătămare, IR și a riscului de deces, FR. Următoarele relații au fost stabilite în mod empiric pe baza rezultatelor testelor de coliziune:

(1.2)

(1.3)

Semnificația notațiilor utilizate este următoarea: IR – riscul de vătămare; FR – riscul de deces; Δv0,IR – valoarea critică a Δv pentru riscul de vătămare; Δv0,FR – valoarea maximă a Δv pentru riscul de deces; NIR – exponentul riscului de vătămare; NFR – exponentul riscului de deces;

3 Sursa: http://www.nhtsa.gov

4 Injury Risk

5 Fatality Risk

Page 14: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

14

Figura 1.4. Riscul de vătămare și riscul de deces al ocupantului la impact frontal în funcție de Δv [12].

Cracteristicile riscului de vătămare și a riscului de deces în funcție de Δv (Figura 1.4), arată că pentru valori ale Δv mai mici de 40 km/h nu există riscul de deces a ocupantului la impactul frontal al vehiculului, iar riscul de vătămare apare la variația vitezei de peste 15 km/h.

1.6 Obiectivele tezei

În scopul de a identifica posibilitățile de utilizare a deformațiilor autovehiculeor și gradului de vătămare al ocupanților în stabilirea dinamicii accidentelor rutiere au fost stabilite următoarele obiective principale ale tezei de doctorat:

1. Stabilirea energiei de deformare a structurii constructive a autovehiculelor implicate în accidente rutiere și reflectarea acesteia prin amplitudinea deformațiilor înregistrate la elementele de caroserie.

2. Analiza comportării ocupanților în interiorul autovehiculului în timpul evenimentelor rutiere prin metode și mijloace de biomecanică.

3. Punerea în evidență a corelației dintre mărimea energiei de deformare absorbită de autovehicule și gravitatea vătămărilor suferite de ocupanți.

4. Posibilitatea utilizării corelației dintre energia de deformare a autovehiculelor și gravitatea vătămărilor suferite de ocupanți în situația lipsei unor probe evidente necesare reconstituirii evenimentului. Testarea veridicității rezultatelor obținute în evaluarea teoretică a parametrilor dinamici și biomecanici ai evenimentului rutier.

5. Aprecierea eficienței protecției ocupanților în habitaclul autovehiculelor în timpul accidentelor rutiere cu diferite mijloace tehnice adecvate.

6. Studiul dinamic al deformării vehiculelor în timpul impactului și al cinematicii ocupantului la impact frontal prin efectuarea unor încercări de coliziune de tip vehicul-vehicul.

7. Elaborarea unui model matematic pentru studiul cinematicii ocupantului la impact frontal.

8. Posibilitatea dezvăluirii unor “falsuri” privind declararea la societătile de asigurări a unor avarii exagerat de mari la autovehicule implicate în evenimente rutiere în neconcordanță cu garadul de vătămare al ocupanților.

Page 15: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

15

2. STUDIUL TEORETIC AL COLIZIUNII AUTOVEHICULELOR ȘI AL CINEMATICII OCUPANTULUI LA IMPACT

2.1 Considerațiii privind coliziunea autovehiculelor. Fazele coliziunii

Faza ante-coliziune corespunde perioadei anterioare producerii impactului, și este delimitată în timp de momentul declanșării stării de pericol iminent și momentul inițial al impactului. În această fază nu există contact între autovehicule. Analiza acestei faze a coliziunii are ca obiectiv principal evaluarea posibilităților de evitare a accidentului;

Faza de coliziune are loc între momentul primului contact dintre autovehicule și momentul separării acestora. În faza coliziunii are loc variația vitezelor autovehiculelor și deformarea caroseriei prin transferul energetic. În această fază a colizunii o parte din energia cinetică se transformă în energie de deformare. Contactul dintre autovehicule are loc în două faze distincte: faza de compresiune și faza de restituire. Analiza fazei de coliziune constă în măsurarea și modelarea profilului deformat, calculul energiei de deformare și determinarea variației vitezelor.

Faza post-coliziune începe în momentul separării autovehiculelor și durează până la oprirea lor. Determinarea regimului de mișcarea autovehiculeor până la oprire și scrierea ecuației de mișcare constituie elementele de analiză ale fazei post-coliziune.

2.2 Dinamica fazei coliziunii autovehiculelor

Faza coliziunii autovehiculelor este caracterizată prin redistribuirea impulsului între autovehiculele implicate în coliziune și prin transformarea unei părți din energia cinetică inițială în energie de deformare. Analiza fazei coliziunii are ca scop determinarea vitezelor de impact ale autovehiculelor.

2.2.1 Determinarea vitezelor de impact prin metoda simulării [8][81]

Cercetarea fazei coliziuinii prin metoda simulării presupune folosirea unui model de impact bazat pe ipoteza că forța de impact este o forță de tip percutant, caracteristică ciocnirilor, care acționează un timp foarte scurt într-un singur punct numit punct de impact.

Variația impulsului în timpul unei ciocniri se numește percuție P. Direcția vectorului percuție este normala comună a suprafețelor de contact ale celor două autovehicule care intră în coliziune.

(2.1)

Modelul de impact se bazează pe cele două teoreme fundamentale ale teoriei ciocnirilor:

Teorema impulsului: variația impulsului total al sistemului material în timpul ciocnirii este egală cu suma percuțiilor exterioare la care este supus sistemul material

(2.2)

Teorema momentului cinetic: variația momentului cinetic total al sistemului material în raport cu un sistem fix în timpul ciocnirii este egală cu suma momentelor percuțiilor exterioare la care este supus sistemul material în raport cu același pol:

(2.3)

Page 16: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

16

Unde, r este brațul vectorului impuls față de punctul fix considerat, iar v este vectorul de poziție al unui punct în mișcare.

Considerând m1 și m2, masele autovehiculelor, v10, v20 vitezele autovehiculelor la începutul impactului și v1, v2 vitezele la ieșirea din impact, teorema variației impulsului se poate scrie:

(2.4)

(2.5)

Algoritmii de calcul utilizați în programele de simulare permit determinarea variației vitezei pentru ambele autovehicule pe baza variației impulsului. Impulsul total în faza de compresiune este calculat în funcție de masele și momentele de inerție ale autovehiculelor și de poziția punctului de impuls în raport cu centrele de masă.

2.2.2 Coeficientul de restituire

Raportul dintre impulsul corespunzător fazei de restituire (PR) și impulsul corespunzător fazei de compresiune (PC) este nenumit coeficient de restituire (e):

(2.6)

(2.7)

Coeficientul de restituire reprezintă raportul dintre viteza relativă a centrelor de masă ale autovehiculelor la finalul fazei de coliziune și viteza lor relativă la începutul fazei coliziunii.

Fiind cunoscute vitezele la finalul impactului, se poate determina energia cinetică consumată în timpul coliziunii sub formă de energie de deformare:

(2.8)

Pentru e=0, valoarea ΔE este maximă, specifică ciocnirii neelastice, în timp ce pentru e=1, energia consumată în timpul coliziunii este nulă (ΔE=0, ciocnire perfect elastică).

2.2.3 Relația analitică dintre varaiația vitezei de coliziune (ΔV) și viteza echivalentă energiei de deformare (EBS)

Delta-v sau Δv este parametrul folosit pentru a exprima variaţia vitezei vehiculului în faza coliziunii, acestă mărime având o importanţă majoră în aprecierea severităţii coliziunii dar şi în determinarea vitezei antecoliziune. EBS reprezintă echivalentul vitezei de impact a vehiculului cu o barieră rigidă fixă care produce aceeaşi mărime a defomaţiilor ca cea observată la vehiculul analizat. EBS şi Δv in general nu au aceeaşi valoare pentru vehiculul analizat, în cazul coliziunilor vehicul-vehicul, cu exceptia a câteva situaţii particulare.

Expresia variației vitezei vehiculului 1 în funcție de EBS:

(2.9)

Coeficientul de restituire echivalent, e este un parametru al coliziunii dintre cele două vehicule și caracterizează energia consumată în coliziune, nu energia consumată pentru deformarea fiecărui vehicul în parte.

Page 17: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

17

2.2.4 Variația vitezelor în coliziunile centrice

Dacă

sunt masele autovehiulelor;

- deplasarea vehiculului 1 respectiv a vehiculului 2; - deplasarea relativă dintre autovehicule (deformația dinamică totală); Viteza relativă a autovehiculolor se poate scrie în funcție de energia absorbită

pentru deformare structurilor autovehiculelor:

(2.10)

Relația (2.10) exprimă viteza relativă a autovehiculelor în coliziune. În cadrul reconstituirii retrospective a accidentelor rutiere este important a se determina variația totală a vitezei în timpul coliziuinii pentru fiecare vehicul.

Variația totală a vitezei în timpul coliziunii pentru fiecare vehicul în funcție de energia consumată pentru deformarea structurilor )este:

Δ

(2.11)

2.3 Calculul energiei de deformare

2.3.1 Metode și modele de deformație

Unul dintre principalele obiective ale reconstrucţiei accidetelor rutiere este, în majoritatea situaţiilor, determinarea vitezei vehiculelor în momentul anterior coliziunii. Ca metode principale de abordare a reconstrucţiei accidentelor rutiere se folosesc: metoda impulsului, bazată pe legile de conservare a impulsului liniar şi acelui unghiular, şi metoda deformaţiilor, bazată pe legile de conservare a impulsului liniar, impulsului unghiular şi a energiei.

Folosirea metodei deformaţiilor presupune existenţa sau adoptarea unor modele de deformaţie care exprimă corelaţia dintre forţa normală de coliziune pe unitatea de lăţime a zonei deformate şi amplitudinea deformaţiilor. Modelele de deformaţie pot fi statice sau dinamice.

2.3.2 Modelul static bazat pe caracteristica liniară forţă-deformaţie

Dependenţa liniară dintre forţă şi amplitudinea deformaţiilor remanente a stat la baza perimelor studii pentru determinarea coeficienţilor de rigiditate, rezultatele fiind obţinute în urma unor teste de impact vehiculului - barieră fixă şi nedeformabilă. Cea mai uzuală metodă de determinare a energiei de deformare, folosită în reconstituirea accidentelor rutiere este cea introdusă de Campbell, avand la bază coliziunea vehicul-barieră rigidă fixă.

Dependența liniară dintre viteză de impact și deformații este dată de relația:

(2.12)

v – viteza de impact; C – deformația remanentă medie; b0 – viteza maximă la care nu se produc deformații remanente; b1 – raportul dintre viteza de impact și amplitudinea medie a deformațiilor. În Figura 2.1 este prezentată caracteristica ideală forță deformație. Acesta

exprimă depenența dintre forța pe unitatea de lățime a ariei deformate și amplitudinea medie a deformației.

Page 18: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

18

Figura 2.1. Caracteristica liniară a rigidității Forța de impact pe unitatea de lățime este tot o defendență liniară:

(2.13) A – coeficient de rigiditate care reprezintă forța maximă pe unitatea de lățime a

suprafeței de contact, la care nu apar deformații remanente [N/m]; B – coeficient de rigiditate care reprezintă raportul dintre forța maximă pe

unitatea de lățime a suprafeței de contact și amplitudinea medie a deformației [N/m2]; C – deformația remanentă medie [m]; Energia consumată în coliziune poate fi exprimată prin relația:

(2.14)

L - lățimea profilului deformat [m]; G - constantă de integrare care reprezintă lucrul mecanic efectuat în domeniul

deformației elastice [N];

2.3.3 Coeficienții de rigiditate ai autovehiculelor

Metodologia de determinare a coeficienților de rigiditate ai autovehiculelor constă în efectuarea unor teste de coliziune în condiții și la viteze cunoscute. În cadrul acestor teste se determină și viteza limită de coliziune la care nu se înregistrează deformații remanente, deformațiile care apar situâdu-se în domeniul elastic. În cazul analizării unei situații reale de coliziune, coeficienții de rigiditate folosiți în algoritmul de calcul al energiei de deformare, din punct de vedere al provenienței, pot fi:

- coeficienți de rigiditate determinați în urma testelor de coliziune; - coeficienți de rigiditate de clasă ai autovehiculelor. Coeficienții de rigiditate de clasă disponibili în bazele de date specifice sunt

grupați pe clase de autovehicule în funcție de masa și caracteristicile geometrice ale autovehiculelor.

2.3.4 Determinarea coeficienților de rigiditate ai autovehiculelor pe baza testelor de coliziune

Considerând coliziunea dintre un autovehicul și o bariera fixă nedeformabilă cu masa infinit mai mare decât masa autovehiculului, energia cinetică a autovehiculului va fi întegral transformată în energie de deformare.

(2.15)

m - masa autovehiculului [kg]; v - viteza de impact [m/s].

Page 19: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

19

Prin integrarea ecuației (2.15) și substituirea vitezei conform relației (2.12) se obțin coeficienții de rigiditate:

(2.16)

Coeficientul b0 se determină în urma testelor de impact la viteză redusă;

2.3.5 Deformația statică și deformația dinamică. Energia de deformare

Energia consumată pentru deformarea structurii constructive a vehiculului în timpul impactului poate fi determinată pe baza deformației remanente a elementelor de caroserie, folosind coeficienții de rigiditate ai vehiculului specifici zonei deformate.

Relația pentru calculul energiei de deformare utilizată în cadrul aplicație PC Crash este:

(2.17)

ED - energia de deformare [J]; A, B, G – coeficienții de rigiditate [m]; Ci, Ci+1 – deformația măsurată în punctul i, respectiv i+1 [m]. Li, Li+1 – cota stației de măsurare din punctul i, respectiv i+1 [m]; wi – distanța dintre două stații de măsurare consecutive [m]; Θ - unghiul dintre axa longitudinală a vehicululuui și direcția forței principale de

impact [°]. Considerând C – deformația remanentă medie și Cd – deformația dinamică

medie a fost demonstrată relația [Huang]:

(2.18)

2.3.6 Factorul energiei de deformare

Datorită diferențelor dintre performanțele structurale ale autovehiculelor, este recomandabil a se folosi ca măsură a energiei consumate pentru deformarea autovehiculelor, factorul energiei de deformare care reprezintă energia de deformare corespunzătoare fazei coliziunii (compresiune și restituire), raportată la unitatea de lățime a autovehiculului:

(2.19)

ECF – factorul energiei de deformare (Energy of Crush Factor); ED – energia de deformare corespunzătoare faze de coliziune; L – lungimea profilului deformat.

2.3.7 Măsurarea profilului deformat la autovehicule

A.Procedura de măsurare a profilului deformat cu ajutorul profilometrului Calculul energiei de deformare pe baza deformațiilor remenente ale caroseriei

vehiculului, cu ajutorul relației ((2.17) presupune cunoașterea constantelor ariei deformate, care se determină prin măsurarea profilului deformat.

Măsurarea profilului deformat impune utilizarea unor proceduri de măsurare

Page 20: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

20

specifice zonei vehiculului în care este localizată deformația. În calculul energiei de deformare, pe lângă valorile deformațiilor, coeficienții de

rigiditate și unghiul de impact, intervine și parametrul lățimea ariei deformate (L). În cest sens, pentru evaluarea corectă a energiei de deformare este necesar să se facă distincția între deformația directă și deformația totală.

Procedura de măsurare a profilului deformat este fundamentată pe ipoteza că deformația este uniformă în plan vertical

Figura 2.2. Măsurarea profilului deformat cu ajutorul profilometrului.

În cazul măsurării profilului deformat aflat în planul frontal al vehiculului baza de cotare se poziționează relativ la puntea din spate, la o distanță mai mare decât suma dintre ampatamentul și consola față a vehiculului. Se pot utiliza 2, 4, 6, sau 12 stații de măsurare situate la distanțe egale sau inegale. În general se folosesc 6 stații de măsurare iar măsurarea se efectueaeză la cota de deformație maximă.

B. Modelarea profilului deformat prin metoda fotogrametriei Una dintre metodele actuale de măsurare a profilului deformat este metoda

fotogrametriei. Fotogrametria este o tehnică de măsurare care, pe baza fotografiilor digitale, permite măsurarea tri-dimensoională a obiectului de interes. Această tehică se bazează pe conversia imaginilor bidimesionale ale obiectului în imagini tridimensionale. Sunt necesare cel puțin două imagini bidimensionale ale aceluliași obiect, realizate din unghiuri diferite. Principiul care stă la baza tehnicii fotogrametriei este triunghiularea, care în acest caz permite determinarea coordonatelor spațiale ale unui punct prin intersectarea unor linii în spațiu.

Măsurarea deformațiilolor autovehiculului implicat în coliziune prin tehnica fotogrametriei presupune modelarea profilului deformat pe baza fotografiilor autovehiculului avariat și apoi determinarea deformațiilor prin comparație cu profilul nedeformat al aceleiași mărci și model de autovehicul. Studiul teoretic privind mișcarea ocupantului în interiorul autovehiculului

2.3.8 Cinematica ocupantului în interiorul autovehiculului la impact

În timpul coliziunii vehiculului ocupanții acestuia pot experimenta o varietate de mișcări în interiorul habitaclului în funcție de tipul impactului, tipul vehiculului, locul pe care îl ocupă în vehicul, vârsta, sex, etc. Cercetările actuale în domeniu arată că există o strânsă legătură de cauzalitate între cinematica ocupantului, prin aceasta înțelegându-se traiectoriile, vitezele și accelerațiile părților corpului ocupantului, și vătămările înregistrate de ocupant.

Vătămările ocupantului sunt cauzate de transferul de energie între corpul ocupantului și obiectul cu care acesta intră în contact. Atunci când corpul ocupantului

Page 21: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

21

se lovește de elementele contondente din habitaclu, iar forța de impact este concentrată pe o anumită zonă a corpului, se produc leziuni ale zonei respective [84]. În aceste condiții,riscul de vătămare al ocupantului este influențat de:

- forma obiectului; - rigiditatea structurală a obiectului; - punctul de contact dintre ocupant și obiect; - orientatea obiectului.

2.3.9 Biomecanica ocupantului la impact frontal

În situația unui impact frontal, datorită forțelor inerțiale, ocupanții autovehiculului au tendința de a se deplasa pe direcția forței de impact cu o viteză proporțională cu variația vitezei ΔV pe care o capătă autovehiculul. Dacă ocupantul este protejat de sistemele de siguranță pasivă, (centura de siguranță, airbag, tetieră, etc.), deplasarea acestuia este limitată, șocul impactului la nivelul ocupantului este considerabil redus, iar riscul de vătămare este mult diminuat.

Riscul de vătămare a ocupanților în timpul impactul frontal al autovehiculului este înfluențat în mod major de următorii factori:

- severitatea (pulsul) coliziunii; - sistemele de retenție a pasagerilor (siguranță pasivă); - spațiul vital din interiorul habitaclului. Prin severitatea pulsului coliziunii se înțelege capacitatea totală a structurii

vehiculului de absorție a energiei în timpul impactului. Energia cinetică totală indusă ocupantului la impact este înfluențată de capacitatea de absorție a sistemelor de retenție, care se află în strânsă interdependență cu spațiul vital al pasagerului.

A. Ocupantul fără centură de siguranță Dacă ocupantul nu este protejat de centura de siguranță, corpul acestuia se

deplasează pe direcția rezutantei forțelor de impact, lovindu-se de părțile interioare ale habitaclului. În majoritatea situațiilor de impact frontal, conducătorul autovehiculului în deplasarea sa, lovește cu zona toraco-adominală volanul iar cu genunchii lovește planșa de bord, apoi capul acestuia poate lovi volanul, parbrizul sau plafonul autovehiculului.

B. Ocupantul cu centură de siguranță Situaţia impactului frontal în care ocupantul este protejat de sistemul centrurii

de siguranţă este substanţial diferită din punct de vederea al cinematicii ocupantului şi riscului de vătămare, comparativ cu impactul în care ocupantul nu poartă centura de siguranţă. În acest caz, deplasarea ocupantului spre înainte, pe direcţia forţei de impact este limitată. Apare însă, deplasarea relativă a capului față de trunchiul superior, deplasarea acestuia din urmă fiind limitată de centura diagonală, iar capul se deplasează după forța inerțială.

Vătămările cele mai întâlnite în cazul coliziunilor frontale sunt: traumatismul cranian, leziunile toracice și luxațiile de femur și șold. Cauza acestor vătămări este lovirea ocupantului de parbriz, plafon, volan sau planșa de bord.

2.3.10 Biomecanica ocupantului la impact din spate [96]

În timpul unei colizini din spate, corpul uman este supus unor solicitări de tipul decelerațiilor și forțelor percutante. Autovehiculul este accelerat brusc de forța rezultantă a impactului, situație în care corpul ocupantului este antrenat spre înainte de deplasarea autovehiculului prin intermediul scaunului iar capul tinde să rămână în spate datorită forței de inerție. Se produce astfel o deplasare relativă bruscă între partea superioară a corpului ocupatului și capul acestuia.

Page 22: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

22

Figura 2.3. Traumatismul coloanei cervicale – Curba “S” [96]

Vătămările la nivelul gâtului pot să fie cauzate de sarcinile și deflecțiile mari atunci când trunchiul este accelerat sau decelerat brusc iar capul ramâne pe loc sau de deplasează în virtutea forțelor de inerție.

Îndoirea gâtului poate avea loc în orice direcţie. În termeni medicali, îndoirea gâtului către înapoi este numită extensie, îndoirea către înainte este denumită flexie, iar îndoirea laterală este denumită flexie laterală.

2.3.11 Biomecanica ocupantului la impact lateral

Coliziunile laterale sunt acele coliziuni ale autovehiculelor în care, partea laterală a unuia sau mai multor vehicule intră în impact cu alt autovehicul sau cu obstacole fixe ori mobile.

În cazul coliziunilor frontale, structura frontală a vehiculului și compartimentul motor, asigură o zonă de deformare care protejează ocupantul la impact. De asemenea, în cazul coliziunilor din spate compartimentul portbagaj și structura de rezistență preiau o parte din energia cinetică a vehiculului împingător, protejând ocupanții. În timpul impactului lateral, o parte din energia cinetică a vehiculului împingător este absorbită prin deformarea structurii frontale a acestuia. De asemenea, deformarea structurii laterale a vehiculului împins contribuie la reducerea energiei cinetice a vehiculului împingător, însă într-o mai mică măsură, datorită formei constructive structurii laterale și dimensiunilor reduse ale zonei de deformare. În aceste condiții, riscul de vătămare al ocupantului este mai mare în coliziunile laterale comparativ cu alte coliziuni.

2.3.12 Modele pentru studiul biomecanicii impactului

Studiul biomecanic al impactului are ca scop determinarea cinematicii ocupantului, a solicitărilor la care acesta este supus și a riscului de vătămare. Așadar se urmărește a se determina deplasările, vitezele și accelerațiile segmentelor corpului uman, dar și solicitările la care sunt supuse țesuturile, scheletul și articulațiile ocupantului precum și toleranța acestora la solicitări.

Modele actuale pentru studiul biomecanicii impactului sunt: - voluntari; - cadavre umane - PMHS6 ; - animale vii sau moarte; - modele mecanice (manechine pentru teste); - modele matematice. A. Studiul biomecanicii impactului cu ajutorul voluntarilor, animalelor și

PMHS Testele efectuate cu subiecți umani - voluntari, cadavre umane și cu animale pot

furniza rezultate bune însă fiecare dintre aceste metode are o serie de limitări. În cazul

6 Post Mortem Human Subjects

Page 23: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

23

voluntarilor umani testele se efectuează sub nivelul de vătămare

Figura 2.4. Voluntar, manechin Hybrid III și PMHS în test de colizune frontală cu sanie7

B. Studiul biomecanicii impactului cu ajutorul modelelor mecanice. Manechinul folosit în testele de coliziune este un dispozitiv antropomentric de

măsurare a riscului de vătămare. Acest dispozitiv este asemămător subiectului uman, din punct de vedere al caracteristicilor antropometrice, și este echipat cu aparatură care permite colectarea datelor de interes pentru determinarea riscului de vătămare. Aprecierea ricului de vătămare se face pe baza valorilor limită a mărimilor calculate sau a criteriilor de vătămare.

C. Studiul biomecanicii impactului cu ajutorul modelelor matematice Modelarea matematică a ocupantului în corelație cu modelele matematice ale

structurii autovehiculului și sistemelor de siguranță pasivă reprezintă o metodă economică, eficientă și rapidă de analiză a răspunsului biomecanic al corpului uman în situația unui impact.

Din punct de vedere conceptual aceste modele matematice dinamice sunt: - modele cu mase concentrate (frecvent unidimensionale sau bidimensionale); - modele multi-corp (de obicei unidimensionale sau bidimensionale); - modele cu elemente finite (de regulă bidimensionale sau tridimensionale). La fel ca modelele mecanice, cele matematice au fost dezvoltate pe baza

datelor biomecanice, deci biofidelitatea este principalul atribut al acestora. Spre deosebire de modelele mecanice care din punct de vedere al modelării mișcării sunt condiționate proiectul manechinului, modelele matematice permit o modelare mai detaliată a corpului uman și oferă biofidelitate multidirecțională.

7 Sursa: Occupant kinematics in low-speed frontal sled tests: Human volunteers, Hybrid III ATD

and PMHS

Page 24: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

24

3. STABILIREA CORELAȚIEI DINTRE ENERGIA DE DEFORMARE ȘI GRADUL DE VĂTĂMARE AL OCUPANȚILOR LA IMPACT FRONTAL

3.1 Influența energiei de deformare asupra gradului de vătămare al ocupanților la impact frontal

Activitatatea de reconstituire a accidentelor rutiere în cadrul expertizelor tehnice și criminalistice oferă posibilitatea instrumentării și soluționării a diverse scenarii de coliziune, fiecare cu particularitățile și specificul lor. Pentru a determina în ce măsură, amplitudinea avariilor remenente ale autovehiculelor implicate în coliziuni, evidențiată prin energia de deformare corespunzătoare acestor avarii, influențează gradul de vătămare al ocupanților, s-au efectuat câteva studii pe baza datelor primare achiziționate cu ocazia reconstituirii evenimentelor rutiere și a rezultatelor cercetăriilor efectuate.

Într-un prim studiu efectuat în acest sens s-a folosit o bază de date constituită de către dl. Prof.univ.dr.ing. Tiberiu Nagy, în decursul unei îndelungate activități de expertiză tehnică și criminalistică, pe baza datelor achiziționate și rezultatelor obținute în urma reconstituirii accidentelor rutiere.

Folosind funcții de regresie statistică s-a determinat modelul de regresie care reflectă relația dintre energia de deformare totală consumată în coliziune și gradul de vătămare al ocupanților, evidențiat după scala maximă de evaluare a vătămărilor - MAIS. Reprezentarea grafică din Figura 3.1 evidențiază această corelație pentru ocupanții din ambele vehicule implicate în coliziune.

Figura 3.1. Probabilitatea de vătămarea a ocupanților la impact frontal în funcție de energia totală de deformare

Conform modelului de regresie, gradul de vătămare, evidențiat prin valoarea MAIS, ca variabilă dependentă este exprimat funcție de variabila independentă valoarea energiei totale de deformare. Pentru determinarea modelului de regresie evidențiat în Figura 3.1, s-a utilizat funcția de distribuție Poisson pentru valorile variabilei independente.

Se poate observa că gradul de vătămare al ocupantului la impactul frontal dintre două autovehicule crește proporțional cu energia totală consumată pentru deformarea

Page 25: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

25

structurilor constructive ale autovehiculelor.

3.2 Studiul statistic al mecanismelor de vătămare a ocupantului la impact frontal

3.2.1 Considerații privind studiul mecanismelor de vătămare prin metode statistice

Fenomenul complex de coliziune a autovehiculelor implică o serie de parametri care țin de cacteristicile constructive ale autovehiculelor, tipul și configurația impactului, gradul de compatibiltatea al partenerul de coliziune, factorii de mediu, și nu în ultimul rând, factorul uman. Tabloul lezional al persoanelor vătămate cu ocazia producerii accidentelor rutiere trebuie privit ca un indicator al combinării în anumite proporții a parametrilor caracteristici impactului. Mecanismele de vătămare pot fi conturate luând în considerare caracterul dinamic al coliziunii autovehiculelor și influența factorilor care intervin pe durata impactului, în corelare cu gravitatea, localizarea și forma leziunilor ocupanților. În acest sens, studiul statistic al datelor și informațiilor referitoare la dinamica impactului și la vătămările suferite de ocupanți constitue o metodă eficientă pentru determinarea mecanismelor de vătămare în diverse condiții de impact..

Pentru studiul mecanismelor de vătămare care au loc în cazul unui impact frontal a fost utilizată baza de date CIREN8, din care au fost selectate un număr de 38 de cazuri în care accidentul rutier s-a produs prin coliziunea frontală a autovehiculul cu un alt autovehicul sau cu un obstacol fix (stâlpi, arbori, clădiri, etc.).

3.2.2 Analiza cazuistică și prelucrarea datelor statistice

Pentru fiecare caz au fost extrase următoarele date: valoarea criteriului maxim de vătămare al ocupantului MAIS; - codul de vătămare AIS; - zona de contact vehicul-ocupant; - valoarea variației vitezei vehiculului în impact Δv; - valoarea energiei totale consumate în coliziune. Pe baza datelor selectate s-au analizat următoarele aspecte: - frecvența vătămărilor în funcție de partea constructivă a autovehiculului cu

care ocupantul a interacționat în momentul producerii vătămării; - frecvența vătămărilor în funcție de regiunile anatomice ale corpului uman.

3.2.3 Analiza și interpretarea datelor

Din analiza frecvenței vătămărilor după zona habitaclului cu care ocupantul a intrat în contact în momentul coliziunii (Figura 3.2) și a numărului vătămărilor relativ la zonele anatomice ale corpului uman (Figura 3.3) pot fi formulate următoarele concluzii

Mecanismul de vătămare se explică prin impactul ocupantului cu elementele constructive ale habitaclului (protecție pentru genunchi, planșă de bord, volan, airbag, podea pedalier) datorită deplasarii corpului spre înainte sub acțiunea forței de inerție, în condițiile în care vehiculul este frânat brusc sub acțiunea forței de coliziune.

În situația utilizării centurii de siguranță se reduce riscul de vătămare al membrelor inferioare prin impactul cu protecția pentru genunchi, respectiv al membrelor superioare și abdomenului prin impactul cu volanul sau planșa de bord.

Interacțiunea ocupantului cu centura de siguranță explică mecanismul de producere a leziunilor colonei vertebrale și toracelui. La decelerații mari ale

8 Crash Injury Research and Engineering Network

Page 26: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

26

autovehiculului, forțele care acționează asupra ocupantului prin intermediul centurii de siguranță produc deformarea cavității toracice și deplasarea relativă dintre vertebrele coloanei vertebrale.

Figura 3.2. Sursele de vătămare a ocupantului la impact frontal. Airbag comparativ cu centură și airbag

Figura 3.3. Incidența vătămărilor ocupantului la impact frontal după zonele corpului

În situația acțiunii sistemelor de reținere, centură de siguranță și airbag, de regulă, nu se produc vătămări ale coloanei cervicale deoarece capul ocupantului nu intră în contact cu autovehiculul doar eventual prim intermediul sacului airbag.

3.3 Cercetări privind influența eficacității sistemelor de siguranță pasivă asupra riscului de vătămare

3.3.1 Criterii criterii utilizate în analiza riscului de vătămare

Complexitatea fenomenelor care au loc în timpul coliziunii vehiculelor, dată de multitudinea factorilor care intervin, face ca estimarea riscului de vătămare a ocupantului la impact să necesite aplicarea unor metode și tehnici care se bazează pe caracterul dinamic al parametrilor care influențează mecanismele de vătămar

Metodele prin care se eveluează riscul de vătămare al ocupantului, în diverse condiții de coliziune, pe baza parametrilor cinematici și dinamici ai autovehiculului și ai

Page 27: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

27

dispozitivului antropometric (ATD) se numesc criterii de vătămare. Pentru evaluarea riscului de vătămare a ocupanților la impact se utilizează două tipuri de criterii de evaluare:

- criteriile bazate pe testele de coliziune în care sunt folosite manechine antropometrice (ATD);

- criteriile care au la bază mărimile cinematice ale autovehiculului în timpul impactului.

Criteriile bazate pe ATD, folosesc parametri cinematici și dinamici înregistrați cu aparatura montată pe manechin în timpul testelor de impact repetitive. Estimarea riscului de vătămare se realizează prin compararea valorilor efective astfel determinate, cu valorile limită specifice fiecărui parametru. Aplicabilitatea acestor criterii în evaluarea riscului de vătămare a ocupanților în cazul accidentelor reale nu este posibilă deoarece nu pot fi determinați parametri cinematici și dinamici ai ocupantului în timpul impactului.

Criteriile dezvoltate pe baza parametrilor cimematici și dinamici specifici autovehiculului sunt aplicabile în cazul accidentelor rutiere întrucât aceste mărimi pot fi înregistrate cu ajutorul dispozitivelor de memorare a datelor în caz de accident - EDR 9, sau pot fi determinate prin reconstituirea accidentului. Evaluarea riscului de vătămare a ocupanților folosind exclusiv aceste criterii este însă limitată deoarece mărimile cinematice și dinamice specifice vehiculului oferă informații doar despre vehicul, nu și despre cinematica ocupantului.

In mod ideal, riscul de vătămare al ocupantului ar trebui să fie evaluat pe baza cinematicii ocupantului și a solicitărilor la care acesta este supus în timpul coliziunii. Una dintre metodele prin care se poate determina cinematica ocupantului într-o astfel de situație este reconstituirea retrospectivă a accidentului și compararea tabloului lezional al victimei cu cinematica autovehiculului. O altă metodă pentru determinarea mărimilor cinematice ale ocupantului la impact este modelarea computerizată a impactului. Prin reconstituirea retrospectivă a accidentului se poate determiana parametrul Δv , ca mărime scalară, pe baza deformațiilor remanente ale autovehiculului, fără însă a se putea determina variația vitezei în timp (pulsul accelerației). Cercetările anterioare folosesc deformațiile remanente ca termen de comparație între accidentele reale și testele de colizine, în care poate fi determinat pulsul coliziunii iar pe baza acestuia pot fi calculate criteriile complexe de estimarea a riscului de vătămare.

În aceste condiții, se pune problema îmbunătățirii criteriilor de evaluare a riscului de vătămare bazate pe cinematica autovehiculului considerarea unor parametri specifici cinematicii ocupantului în timpul impactului.

3.3.2 Parametri de apreciere a eficienței sistemelor de siguranță pasivă

Deplasările vitezele și accelerațiile măsurate în centrele de greutate ale zonelor corpului uman reprezintă parametrii cinematici care exprimă răspunsul ocupantului la impact. Determinarea acestor parametri, în cadrul testelor de coliziune, cu ajutorul dispozitivelor montate pe manechinul de test permite stabilirea criteriilor de vătămare.

Considerând că răspunsul ocupantului la impact este dependent de severitatea coliziunii și de eficacitatea sistemelor de siguranță pasivă ale autovehiculului s-a fectuat un studiu care a avut ca obiectiv determinarea influenței acestor parametri asupra cinematicii ocupantului.

Pentru realizarea studiului s-a folosit baza de date NHTSA10 Vehicle Crash Test

9 Event Data Recorder

10 National Highway Traffic Safety Administration

Page 28: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

28

Database, în care disponibile date statistice referitoare la testele de coliziune specifice cercetării din domeniul industriei autovehiculelor.

Parametrul de apreciere a severității coliziunii, folosit în cadrul studiului, este variația vitezei vehiculului, Δv. Eficiența sistemelor de siguranță pasivă ale autovehiculului a fost estimată pe baza următorilor parametri:

- eficiența enegetică a coliziunii (μ), care reflectă gradul de absorție a energiei cinetice prin deformarea structurii constructive a autovehiculului [42];

(3.1)

Unde, vvo – viteza inițială a vehiculului [m/s]; erd – densitatea energetică a coliziunii [m2/s2]:

(3.2)

ao – accelerația ocupantului [m/s2]; xv – deplasarea vehiculului [m]; xf – deplasarea finală a vehiculului [m]. Densitatea energetică a coliziunii (erd) reflectă procentajul energiei cinetice

absorbite de structura vehiculului și este în srânsă corelație cu deformația dinamică. - factorul energiei cinetice relative a ocupantului (Ec), este un indicator al

eficienței sistemelor reținere a ocupantului și exprimă valoarea normalizată a energiei cinetice a unității de masă a ocupantului

(3.3)

Unde, vrel – reprezintă viteza relativă dintre toracele ocupantului și vehicul [m/s]:

(3.4)

vv – viteza vehiculului [m/s] vo - viteza ocupantului [m/s] Factorul energiei cinetice relative reflectă gradul de protecție a ocupantului la

impact realizat prin intermediul sistemului de reținere. Riscul de vătămare a ocupantului a fost estimat folosind următoarele criterii de

vătămare: - HIC-criteriul de vătămare al capului; - CSI- indexul de severitate al toracelui [m/s]; - a(3ms) - accelerația maximă a toracelui pentru un interval de cel puțin 3ms.

3.3.3 Analiza cazuistică

Pentru realizarea studiului au fost selectate o serie de teste de coliziune care îndeplinesc cumulativ următoarele criterii:

- tipul impactului: frontal, vehicul-barieră fixă nedeformabilă; - manechin de test utilizat: Hybrid III Male 50 percentile; - sisteme de siguranță pasivă funcționale: centură de siguranță cu fixare în 3

puncte, airbag fontal sau ambele sisteme. Din baza de date Vehicle Crash Test Database, pentru fiecare caz în parte au

Page 29: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

29

fost preluate următoarele date: - caracteristicile accelerației și vitezei pentru: vehicul, torace ocupanți; - caracteristica deplasării vehiculului; - valoarile deformației vehiculului măsutată în 6 puncte C1...C6; - valoarea lățlimii zonei deformate , L ; - valoarile criteriilor de vătămare a(3ms), CSI și HIC Datele preluate au fost stocate sub formă de fișier .xls în scopul prelucrării.

3.3.4 Analiza și interpretarea datelor

Pentru fiecare caz, pe baza accelerației vehiculului și accelerației ocupantului, au fost determinați următorii parametri:

- variația vitezei vehiculului Δv; - eficiența energetică a coliziunii, μ; - factorul energiei cinetice relative a ocupantului, EC; - deformația medie a structurii vehiculului Cm.

3.3.5 Analiza statistică a datelor

În cadrul acestui studiu, pentru a evidenția valoarea energiei consumate pentru deformarea vehiculului s-a utilizat deformația medie, Cm.

Datele obținute în urma prelucrării inițiale au fost utilizate pentru a se determina corelațiile între parametri specifici autovehiculului și criteriile de vătămare.

În cazul coliziunilor în care ocupantul a fost protejat doar de centura de siguranță, au fost găsite corelațiile cele mai strânse între valoarea deformației medii, (Cm) și parametri impactului specifici vehiculului (μ și Ec). Deoarece valoarea Δv în testele de coliziune analizate este cuprinsă în limitele 50,9 – 57 km/h, corelația dintre acest parametru și valoarea medie a deformației vehiculului nu este evidentă relativ la numărul total de cazuri analizate

Figura 3.4. Caracteristica μ=f(Cm), pentru ocupantul cu centură de siguranță, respectiv cu airbag

Pentru a studia infuența sistemului de siguranță al ocupantului (centură de siguranță sau airbag) asupra valorilor efective ale parametrilor μ și Ec, au fost trasate caracteristicile din Figura 3.4 și Figura 3.5, pe baza legilor de regresie putere.

Legile de regresie pentru eficienţa energetică a coliziunii sunt:

- pentru ocupantul cu centura:

- pentru ocupantul cu airbag:

Page 30: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

30

Valorile superioare ale eficienței energetice a coliziunii (μ) în cazul ocupantului cu centură de siguranță comparativ cu situația ocupantului protejat de airbag, pentru aceeași deformație medie (Cm), se explică prin faptul că centura de siguranță limitează deplasarea ocupantului la momentul tc, iar airbagul limitează deplasarea ocupantului la momentul ta, ta˃tc. În momentul impactului viteza ocupantului este egală cu viteza vehiculului (vo=vv) iar accelerația ocupantului la momentul tc, aoc=vo/tc este mai mare decât accelerația ocupantului la momentul ta, aoa=vo/ta. În condițiile în care dxv = Cd

(deformația dinamică) și v0v (viteza de impact a vehiculului) sunt constante pentru același impact, accelerația ocupantului este factorul care influențează în mod direct valoarea eficienței energetice a coliziunii, μ (ecuațiile 3.13 și 3.14) în funcție de sistemul de siguranță pasivă al ocupantului.

Legile de regresie pentru factorul energiei cinetice relative a ocupantului sunt:

- pentru ocupantul cu centura:

- pentru ocupantul cu airbag:

Figura 3.5. Caracteristica Ec=f(Cm), pentru ocupantul cu centură de siguranță, respectiv cu airbag

În mod similar, viteza relativă maximă (vrel)max ocupant-vehicul este mai mare la momentul ta la care airbagul limitează deplasarea relativă a ocupantului decât la momentul tc la care acționează centura de siguranță (vrel)max.a ˃ (vrel)max.c deoarece ta˃tc. Astfel, în același impact, factorul energiei cinetice relative a ocupantului protejat de airbag, Ec este mai mare decât factorul energiei cinetice relative a ocupantului protejat de centura de siguranță, la aceeași valoare a deformației medii.

Aprecierea riscului de vătămare al ocupantului la impact frontal cu ajutorul criteriului de vătămare a(3ms) este necesar să se facă luând în considerare sistemul de siguranță pasivă care a fost folosit sau activat în timpul impactului. Analiza statistică efectuată indică un risc de vătămare mai redus pentru ocupantul cu centură de siguranță comparativ cu ocupantul protejat de airbag, la o deformație medie a vehiculului de până la 0,55 m (Figura 3.6). Indiferent de sistemul de reținere al ocupantului, riscul de vătămare scade cu creșterea deformației medii.

Legile de regresie pentru criteriul a(3ms) sunt următoarele:

- pentru ocupantul cu centura:

- pentru ocupantul cu airbag:

Page 31: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

31

Figura 3.6. Criteriul de vătamare a(3ms) în funcție de deformația medie, pentru ocupantul cu centură de siguranță respectiv airbag frontal

Figura 3.7. Riscul de vătamare CSI în funcție de deformația medie, pentru ocupantul cu centură de siguranță respectiv airbag frontal

Riscul de vătămare estimat pe baza indexului de severitate a toracelui (CSI) este de asemenea, invers proporțional cu deformația medie (Figura 3.7). Analiza statistică efectuată nu evidențiază însă diferențe semnificative ale criteriului CSI în funcție de sistemul de reținere al ocupantului.

Legile de regresie pentru criteriul CSI sunt:

- pentru ocupantul cu centura:

- pentru ocupantul cu airbag:

Concluziile studiului Variația vitezei vehiculului în coliziune este criteriul cel mai uzual pentru

estimarea severității impactului. Acest criteriu este utilizat totodată ca predictor al riscului de vătămare. Pentru a estima mai precis severitatea impactului la nivelul ocupantului este indicat a se utiliza parametri care caracterizează nivelul de securitate pasivă al autovehiculului. În cadrul acestui studiu, performanțele structurii vehiculului de absorție a energiei cinetice prin deformare au fost evauate pe baza parametrului μ-

Page 32: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

32

eficiența energetică a coliziunii. Pentru aprecierea performanțelor sistemului de reținetre al ocupantului s-a folosit parametrul Ec – factorul energiei cinetice relative a ocupantului.

Întrucât în cadrul cercetării accidentelor rutiere acești parametri nu pot fi evaluați în mod direct, s-a încercat determinarea unor relații între aceștia și deformația medie a vehiculului Cm, ca mărime care poate fi determinată prim măsurarea profilului deformat.

În testele de coliziune analizate parametrul Δv a avut valori cuprinse în intervalul 50,9 – 57 km/h, influența sa asupra deformației medii fiind considerată nesemnificativă. Analiza statistică indică faptrul că parametrul Δv nu influențează valoarea criteriilor de vătămare pentru seturile de teste analizate.

Parametri care caracterizează siguranța pasivă a autovehiculului se află în strânsă corelație cu deformația medie, astfel:

Eficiența energetică a coliziunii (μ) este direct proporțională cu deformația medie. Deformarea mai pronunțată a structurii vehiculului, la acceași viteză de impact, se transpune într-o eficiență energetică mai ridicată, deci un risc de vătămare al ocupantului mai redus.

Factorul energiei cinetice relative a ocupantului (Ec) este invers proporțional cu deformația medie. Deformarea mai pronunțată a structurii vehiculului implică reducerea valorii factorului energiei cinetice relative a ocupantului, și implicit reducerea riscului de vătămare.

Valorile parametrilor µ și Ec sunt influențate de sistemul de reținere al ocupantului. Astfel s-a arătat că în cazul ocupantului cu centură de siguranță µ are valori mai mari și Ec are valori mai mici decât în cazul ocupantului protejat de airbag, ceea ce indică un risc de vătămare mai redus pentru ocupantul cu centură de siguranță.

În ceea ce privește dependența criteriilor de vătămare de deformația medie, se poate concluziona că în condițiile în care Δv=const, criteriul accelereția maximă a toracelui, a(3ms) și criteriul indicele de severitate al toacelui, CSI sunt invers proporționale cu deformația medie. Aceasta indică reducerea riscului de vătămare cu creșterea deformației medii.

Analiza în funcție de sistemul de reținere al ocupantului arată că în intervalul deformației medii de până la 0,55 m centura de siguranță oferă o mai bună protecție ocupantului la impact frontal, comprativ cu airbagul, riscul de vătămare fiind evaluat pe baza criteriului de vătămare a(3ms). Criteriul de vătămare CSI indică același risc de vătămare indiferent de sistemul de reținere activat în momentul impactului.

3.4 Determinarea pe cale analitică a influenței energiei de deformare asupra riscului de vătămare a ocupantului la impact

frontal

Relația (1.3) exprimă riscul de vătămare al ocupantului la impact frontal ca funcție de variația vitezei vehiculului în coliziune (Δv). Este cunoscut faptul că energia totală consumată în coliziune este proporțională cu Δv. Funcția de regresie neliniară care descrie dependența dintre energia consumată în coliziune și variația vitezei vehiculului Δv poate fi scrisă sub forma unei funcții polinomiale de gradul II, astfel:

(3.5)

Unde, a, b, c, sunt coeficienții funcției de regresie polinomială. Astfel, riscul de vătămare al ocupantului în coliziuni frontale se poate

determina ca funcție de energia totală consumată în coliziune după relația:

Page 33: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

33

(3.6)

IRE – riscul de vătămare la impact frontal determinat pe baza energiei totale de deformare consumată în coliziune;

E0,IR – valoarea critică a energiei de deformare totale; NIR – exponentul riscului de vătămare; Pentru determinarea pe cale analitică a riscului de vătămare al ocupantului la

impact frontal se folosește relația care exprimă energia totala consumata in coliziune este:

(3.7)

Astfel, riscul de vătămare al ocupantului la impact frontal în funcție de energia de deformare este:

(3.8)

Figura 3.8. Riscul de vătămare al ocupantului la impact frontal în funcție de energia totală consumată în coliziune. Caracteristica determinată experimental și analitic

IRE – riscul de vătămare la impact frontal determinat pe baza energiei totale de deformare consumată în coliziune;

E0,IR – valoarea critică a energiei de deformare; FIR – exponentul riscului de vatămare pentru determinarea analitica Relația (3.8) este valabilă doar în cazul coliziunilor frontale dintre două

autoturisme din clasa sedan, având aceeași masă, pentru o valoare a coeficientului de restituire specific impactului e=0,34.

Page 34: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

34

Caracteristicile riscului de vătămare al ocupantului în funcție de energia totală de deformare, determinate pe cale experimentală și analitică, pentru coliziunea fontală dintre două autoturisme clasa sedan cu aceeași masă, sunt prezentate în Figura 3.8. Abaterea maximă a valorii riscului de vătămare, estimat prin caracteristicile obținute experimental și analitic, este de 0,18.

Figura 3.9. Riscul de vătămare al ocupantului la impact frontal în funcție de masele autovehiculelor

În Figura 3.9 sunt prezentate caracteristicile riscului de vătămare în funcție de energia totală de deformare consumată în coliziune, pentru diferite valori ale raportului R, dintre masele vehiculelor implicate. Curbele au fost trasate pe baza ecuației (3.8).

Page 35: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

35

4. MODELAREA MATEMATICĂ A SISTEMULUI INTEGRAT PENTRU STUDIUL IMPACTULUI FRONTAL

4.1 Analiza sistemului vehicul-ocupant. Energia cinetică a ocupantului

Considerând coliziunea vehicul-barieră fixă nedeformabilă, pentru a descrie energia cinetică a vehiculului și energia cinetică relativă a ocupantului s-a folosit un model vehicul-ocupant simplificat. În acest model ocupantul este reprezentat printr-un punct material de masă m iar vehicul este reprezentat printr-un corp cu masa M, având partea frontală deformabilă. Mișcarea ocupantului în interiorul vehiculului poate fi liberă sau restricționată de sistemele de reținere (centura de siguranță sau airbag). În Tabelul 4.1 sunt prezentate momentele succesive ale impactului vehicul-barieră și ocupant-vehicul precum și relațiile de calcul ale energiei cinetice a vehiculului și a energiei cinetice relative a ocupantului față de vehicul. Sunt prezentate două situații distincte: când ocupantul se deplasează liber în habitaclu, respectiv când deplasarea ocupantului este restricționată de sistemele de reținere.Întrucât bariera este fixă și nedeformabilă, din momentul primului contact între vehicul și barieră, deplasarea vehiculului este egală cu deformația dinamică C.

Tabelul 4.1.

Starea sistemului vehicul-ocupant Energia cinetică

a vehicului ECv

Energia cinetică relativă a ocupantului ECov

Ocupant fără centură de siguranță

Ocupant cu centură de siguranță

Ocupant fără centură de siguranță

Ocupant cu centură de siguranță

Semnificația notațiilor care intervin în relațiile din tabelul 4.1 este următoarea: M -

masa vehiculului; m - masa ocupantului; xv, xo - deplasarea vehiculului, respectiv deplasarea ocupantului; C - deformația dinamică; xov – deplasarea relativă ocupant-

Page 36: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

36

vehicul. În scopul determinării parametrilor cinematici care influențează vătămarea

ocupantului în situația unui impact frontal, fenomenele care au loc în timpul procesului de coliziune sunt analizate din punct de vedere al impactului primar vehicul-barieră și al impactului secundar ocupant-vehicul.

4.2 Obiectivele modelării matematice

O contribuție semnificativă în ceea ce privește îmbunătățirea siguranței traficului rutier este integrarea sistemelor de siguranță pasivă și activă într-un sistem unitar. În principiu, aceasta se realizează prin dezvoltarea unor algoritmi de control în care parametri o serie de parametri, sunt definiți pe baza răspunsului autovehiculului aflat în coliziune. Se urmărește astfel ca prin valoarea de referință a acestor forțe să se reducă la minim accelerația ocupantui [25].

Luând în considerare ponderea ridicată a coliziunior frontale dintre două vehicule și riscul de vătămare ridicat al ocupanților în aceste coliziuni, obiectivul modelării matematice constă în realizarea unui model matematic care să înglobeze impactul frontal al vehicul -vehicul și impactul ocupant-vehicul.

În contextul prezentei lucrări modelarea matematică are ca obiectiv principal determinarea parametrilor cinematici ai ocupantului necesari pentru evaluarea riscului de vătămare al ocupantului în situația unui impact frontal al autovehiculului obiect cu un alt autovehicul. Proiectarea modelului matematic a fost realizată în trei etape asfel:

- modelarea matematică a impactului frontal de tip vehicul-vehicul; - modelarea matematică a impactului ocupant-vehicul la impactul frontal al

autovehiculului; - realizarea modelului integrat care înglobează ambele submodele. Pentru validarea modelului matematic integrat s-au utilizat rezultatele obținute în

cadrul cercetării experimentele.

4.3 Etapele modelării matematice

4.3.1 Modelarea matematică a impactului frontal dintre două autovehicule [85]

Pulsul accelerației la nivelul habitaclului autovehiculului obiect a fost determinat pe baza unui model mecanic simplificat format din două corpuri conectate între ele prin elemente elastice de tip arc de rigiditate.

Ecuațiile de mișcare ale autovehiculelor în coliziune se obțin pe baza ecuației generalizate Lagrange:

(4.1)

Semnificația notațiilor care intervin în ecuația Lagrange este următoarea: Ec – energia cinetică a sistemului; V – energia potențială a sistemului; qi – coordonatele generalizate.

Page 37: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

37

Figura 4.1. Schema modelului matematic pentru inpactul vehicul-vehicul

Coordonatele generalizate ale modelului conform, schemei coliziunii frontale din Figura 4.1 sunt : x1 - deplasarea vehiculului 1 pe direcția Ox și x2 - deplasarea vehiculului 2 pe direcția Ox

M1, M2 – masele vehiculelor; k1, k2 – rigiditățile structurilor frontale ale vehiculelor; Energia cinetică, respectiv energia potențială a sistemului format din cele două

autovehicule sunt:

(4.2)

(4.3)

Se consideră că asupra autovehiculelor, în timpul impactului acționează doar forța de coliziune, celelalte forțe fiind negleijabile în raport cu aceasta.

S-a obținut astfel un sistem de două ecuații diferențiale de gradul II în care necunoscutele sunt accelerațiile, vitezele și deplasările celor două autovehicule:

(4.4)

Sistemul poate fi rezolvat prin integrare numerică folosind metoda Runge-Kutta.

4.3.2 Modelarea matematică a impactului ocupant-vehicul [25], [85]

Pentru modelarea matematică a impactului ocupant-vehicul a fost considerat modelul simplificat al ocupantului, prezentat în Figura 4.2, ca fiind format din două corpuri rigide. Astfel, membrele inferioare și zona pelviană sunt reprezentate prin corpul de masă m3 iar trunchiul, capul, gâtul și membrele superioare sunt reprezentate de corpul de masă m4. S-a cosiderat că masele celor două corpuri sunt concentrate în centrele de masă.

Page 38: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

38

Figura 4.2 Schema de principiu pentru modelul matematic ocupant-vehicul

Semnificatia notațiilor folosite în Figura 4.2 este următoarea: x1 – deplasarea vehiculului; x3 – deplasarea zonei pelviene a ocupantului (include bazinul și membrele

inferioare); θ4 – deplasarea unghiulară relativă a trunchiului (cap, tors și membre superioare)

față de pelvis; k3 – rigiditatea ramurii de șold a centurii de siguranță; k4 – rigiditatea ramurii de umăr a centurii de siguranță; F0 – forța de frecare dintre ocupant și scaun; FB – forța de reacțiune a bratelor fixate pe volan; FP – forța de reacțiune a podelei autovehiculul; FC – forța de coliziune aplicată autovehiculului; d4 – distanța dintre toracele ocupantului și volan; d3 – distanța dintre genunchii ocupantului și protecția pentru genunchi; l3 – lungimea segmentului 3; l4 – lungimea segmentului 4; h3 – înălțimea centrului de masă al corpului 3; h4 – înălțimea centrului de masă al corpului 3; S-a considerat că asupra ocupantului, în timpul impactului, acționează

următoarele forțe: - forța de reacțiune a podelei autovehiculului, transmisă prin intermediul

membrelor inferioare (FP); - forța de reacțiune a volanului transmisă prin intermediul brațelor (FB); - forța de frecare dintre partea inferioară a corpului ocupantului și scaun (F0); - forța reacțiune a centurii de siguranță. Forța centurii de siguranță a fost luată în consideare prin rigiditățile ramurii de

umăr (k4) și ramurii de șold (k3). Ecuațiile de mișcare ale corpurilor de mase m3 și m4 vor fi scrise în cadrul

modelului matematic integrat.

Page 39: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

39

4.3.3 Realizarea modelului integrat pentru studiul impactului frontal

Pentru determinarea parametrilor cinematici și dinamici ai ocupantui, în cazul impactului frontal al vehiculului cu alt vehicul, modelul impactului vehicul-vehicul și modelul impactului ocupant-vehicul, prezentate anterior, au fost înglobate într-un model matematic unitar a cărui schiță de principiu este prezentată în Figura 4.3.

Semnificația notațiilor utilizate este acceași cu cea din secțiunea anterioară a lucrării.

Figura 4.3. Schema de principiu pentru modelul matematic integrat

Ecuațiile de mișcare ale autovehiculelor în coliziune se obțin pe baza ecuației lui generalizate Lagrange (4.1), considerând ca și coordonate generalizate:

x1 - deplasarea vehiculului 1 pe direcția Ox; x2 - deplasarea vehiculului 2 pe direcția Ox . x3 - deplasarea relativă pe direcția Ox a corpului de masă m3 a ocupantului

relativ la autovehicul. θ4 - deplasarea unghiulară relativă a corpului 3 relativ la corpul 4. Energia cinetică a sistemului este:

(4.5)

Energia potențială a sistemului este:

(4.6)

Forțele care acționeză asupra sistemului de corpuri rigide sunt: forța de coliziune (FC), forța de frecare dintre ocupant și scaun (F0), forța de reacțiune a podelei autovehiculul (F0), forța de reacțiune a volanului (FB), forța de reacțiune din articulația ocupantului (între corpurile 3 și 4) și forțele din centura de siguranță.

Page 40: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

40

(4.7)

Astfel ecuația generalizată Lagrange (4.1) pentru cele patru corpuri considerate este:

(4.8)

Pentru rezolvarea acestui sistem s-au făcut următoarele substituții:

,

(4.9)

și s-a obținut un sistem de opt ecuații diferențiale de gradul I, care poate fi rezolvat prin integrare numerică folosind metota Runge-Kutta.

4.3.4 Datele de intrare in modelul matematic

Datele de intrare în modelul matematic sunt: - masele autovehiculelor: M1 și M2; - rigiditățile structurilor frontale ale autovehiculelor, k1 și k2; - rigiditățile ramurilor centurii de siguranță, k3 și k4; - forțele care acționează asupra ocupantului F0, FP și FB;

- deplasările și vitezele inițiale ale autovehiculelor respectiv ; - deplasarea inițială și viteza inițială a corpului 3: ;

- deplasarea unghiulară inițială și viteza unghiulară a corpului 4: . Datele de ieșire ale modelului matematic, respectiv soluțiile sistemului de ecuații

(4.8) sunt: - deplasările și vitezele corpurilor 1 și 2 ca funcții de timp; - deplasările relative și vitezele relative ale corpurilor 3 și 4 ca funcții de timp; Pe baza acestora se pot determina deplasările și vitezele corpurilor 3 și 4 în

sistemul de referință inerțial, iar prin integrarea numerică a vitezelor se obțin accelerațiile celor patru corpuri ale sistemului.

Validarea modelului matematic s-a realizat pe baza rezultatelor obținute în cadrul cercetării experimentele, respectiv, testul de coliziune numărul 3, impactul frontal al celor două autovehicule.

Page 41: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

41

5. METODICA CERCETĂRII EXPERIMENTALE

5.1 Stabilirea scenariului de testare experimentală

5.1.1 Obiectivele studiului experimental

Complexitatea fenomenului coliziunii autovehiculelor este dată de o diversitate de factori asociați construcței automobilelor, condițiilor de desfășurarea a evenimentului sau care țin de caracteristicile fizice și comportamentale ale ocupanților. În acest sens, studiul cinematicii și dinamicii autovehiculelor pe de o parte, și a riscului de vătămare a ocupanților, pe de altă parte, impun utilizarea rezultatelor cercetărilor experimentale alături de modele teoretice asociate coliziunii.

Pentru atingerea obiectivului principal al acestei lucrări respectiv acela de a determina o corelație între amplitudinea și dispunerea avariilor autovehiculului și riscul de vătămare al ocupantului, iar apoi de a evidenția, pe baza acestei corelații, comportametul cimenematic și dinamic al autovehiculelor implicate în coliziune și al ocupanților acestora, au fost stabilite următoarele obiective ale studiului experimental:

Efectuarea unui set de coliziuni de tip vehicul-vehicul;

Determinarea vitezelor de coliziune pentru fiecare test;

Determinarea amplitudinii avariilor autovehiculelor după impact;

Determinarea cinematicii autovehiculelor pe durata impactului;

Determinarea cinematicii ocupantului pe durata impactului;

Măsurarea deceleraţiilor autovehiculului la impact;

Măsurarea deceleraţiilor la nivelul capului şi pieptului ocupantului la impact;

5.1.2 Programul încercărilor

Pentru realizarea experimentului au fost folosite două autoturisme ale căror caracteristici tehnice sunt prezentate în acest capitol al lucrării. Pregătirea și realizarea obiectivelor studiului experimental a fost eșalonată după un program stabilit pentru patru zile zile.

5.1.3 Scenarii de coliziune

Pentru efectuarea experimentului au fost pregătite: - un poligon de încercări; - un autovehicul marca Lancia Kappa 2.0 (VEH.1); - un autovehicul marca Ford Escort 1.6 ( VEH.2); - doi piloți de încercări și echipament de protecție pentru aceștia; - aparatură pentru înregistrarea vitezei autovehicul împingător; - aparatură pentru înregistrarea cinematicii ocupantului; - aparatură pentru înregistrarea accelerațiilor autovehiculelor și ocupantului; - dispozitiv pentru măsurarea profilului nedeformat și deformat al

autovehiculelor Scenariile de testare stabilite au fost următoarele: Testul 1: impact din spate Vehiculul VEH.1 - staționat este lovit din spate de către vehiculul VEH.2, care se

deplasează în manșalier. Testul 2: impact lateral Vehiculul VEH.1 - staționat este lovit din lateral dreapta de către vehiculul VEH.2,

care se deplasează în manșalier. Testul 3: impact frontal Vehiculul VEH.2 - staționat este lovit frontal de către vehiculul VEH.1, care se

Page 42: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

42

deplasează spre înainte.

Figura 5.1. Sistemele de coordonate asociate vehiculului (a) și ocupantului (b)

În Figura 5.1 sunt evidențiate sistemele de referință asociate vehiculului și ocupantului.

5.2 Pregătirea experimentului

5.2.1 Determinarea parametrilor tehnici ai autovehiculelor destinate încercărilor

Pentru buna desfășurare a testelor și siguranța echipei de încercări a fost efectuată o verificare a stării tehnice a autovehiculelor

Pentru determinarea maselor celor două autovehicule au fost efectuate măsurătări cu ajutorul standului RAVAGLIOLI S.p.A Ver.Sw:9.20w Ver.Fw:1.55., obținându-se astfel masa autovehiculului [kg] și greutatea pe fiecare roată [N]. Pe baza acestor măsurători au fost determinate ulterior coordonatele centrului de masă în plan orizontal pentru fiecare autovehicul în parte.

Evaluarea peformanțelor sistemului de frânare și a aderenței a fost efectuată cu ajutorul aceluiași stand de încercări.

Datele de intrare folosite în calculul coordonatelor centrului de masă, respectiv masa autovehiculelor și repartizarea greutății pe fiecare roată rezultate din măsurători au fost corectate corespunzător încărcării autovehiculelor din momentul încercărilor.

5.2.2 Pregătirea poligonului de încercări.

Pe baza scenariilor de coliziune stabilite, a fost pregătit poligonul de încercări. În acest sens ca zonă de testare a fost folosită parcarea SC IATSA SA situată Brașov, calea București nr. Carosabilul în parcarea respectivă este din ciment iar în partea sa centrală există o zonă de 20 x 13 m asfaltată.

A. Marcarea carosabilului Partea centrală a poligonului de încercări, folosită ca zonă de impact, a fost

marcată pentru determinarea cu ușurință a traiectoriilor autovehiculelor în timpul impactului și a pozițiilor finale după impact. Marcajul a fost realizat pintr-un caroiaj pe suprafața de 12 x 6 m cu o celulă de 2 x 2 m. Nodurile au fost marcate prin cruci. Pe direcție longitudinală, în zona centrală, marcajul a fost suplimentat prin cruci dispuse în celule de 1 x 1 m și prin benzi de segmentare liniară cu pas de 20 cm.

Page 43: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

43

Figura 5.2. Vehiculul VEH.2 poziționat pentru fotografii înaintea testelor

B. Măsuri de siguranță În scopul realizării cu succes a testelor de coliziune și pentru siguranța echipei

dar și a persoanelor aflate în apropierea poligonului de încercări au fost implementate următoarele măsuri:

izolarea poligonului de încercări

asigurarea spațiului necesar opririi autovehiculelor;

pentru oprirea în siguranță a autovehiculelor după impact a fost asigurat un spațiu de rulare suficient de mare, estimat prin simulări realizate cu programul PC Crash 8.1;

asigurarea unui post de prim ajutor, post de intervenție în caz de incendiu și a unui post de asistență tehnicăasigurarea protecției piloțiolor de încercări;

pentru a preveni accidentarea piloților acesția au fost echipați cu cască de protecție tip moto și îmbrăcăminte adecvată.

5.2.3 Pregătirea autovehiculelor

Pentru efectuarea testelor propuse au fost achziționate două autoturisme second hand:

- Lancia Kappa an de fabricație 1996, motorizare benzina 2.0; - Ford Escort an de fabricație 1993, motorizare benzina 1.6. Cele două autoturisme au fost pregătite pentru testele de impact, în acest sens

efectuându-se următoarele lucrări la ambele autoturisme:

a fost demontată portiera față-stânga;

s-a făcut alimentarea autovehiculelor cu o cantitate mică de combustibil;

a fost marcată suprafața exterioară a caroseriilor;

au fost marcate jantele după sistemul adoptat de EuroNCAP;

au fost efectuate fotografii pentru modelarea profilului nedeformat;

au fost efectuate măsurători cu dispozitivul laser pentru modelarea profilului nedeformat;

a fost montat dispozitivul GPS pe plafonul autovehiculului cere se deplasează înainte de impact;

Pentru marcarea suprefeței exterioare a vehicululelor s-au realizat următăarele operațiuni:

- s-au aplicat benzi din folie autocolantă ”c-d fix” tip tablă de șah - partea frontală și din spate a autovehiculelor a fost de asemenea marcată prin

bezi autocolante tip tablă de șah; - primetral, pe părțile frontală, spate și laterală ale caroseriei s-au un marcaj cu

pasul de 50 cm format din markeri sub formă de tringhi;

Page 44: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

44

- pe suprafața capotei motorului a fost aplicat un caroiaj rectangular format din benzi autocolante cu lățimea de 1 cm, dispuse la distanța de 20 cm una față de alta;

- pe portiera stânga spate a autoturismului Lancia Kappa respectiv pe aripa față dreapta a autoturismului Ford Escort a fost aplicat câte un marker cicular cu diametrul de 14 cm, de tip EuroNCAP;

- au fost aplicați markeri de formă pătrată în colțurile superioare ale parbrizului și lunetei spate, pe oglinda retrovizoare dreapta și pe aripile spate în scopul poziționării aparatului laser pentru măsurarea a deformațiilor.

5.2.4 Pregătirea ocupanților celor două autovehicule

Manevrarea și accelerarea autovehiculelor în cadrul testelor de coliziune s-a făcut prin propulsie proprie iar pentru realizarea scenariilor de coliziune propuse au fost necesari doi piloți de încercări: unul a fost folosit atât pentru pilotarea autovehiculelor cât și pentru achiziționarea datelor iar celălalt a fost folosit doar pentru pilotarea autovehiculelor.

Pilotul 1 a fost echipat cu aparatura de achizitie date și marcatoriri. În testele 1 și 2 a fost folosit doar pentru achiziția de date (accelerații și probe video), în testul 3 a avut atât rol de pilotare a autovehiculului VEH.1 cât și rol de ocupant pentru achiziția de date (accelerații și probe video), iar în testul 4 a avut rol de pilotare a VEH.2 și achiziție date (probe video). Dispozitivele mobile pentru înregistrarea accelerațiilor au fost poziționate astfel:

- cap – pe casca pilotului în partea superioară, fixat cu bandă dublu adezivă; - torace – pe partea anterioară a toracelui la nivelul sternului, fixat cu teacă și

brățară cirulară peste piept; - picior – pe membrul inferior stâng, în zona genunchiului, pe partea exterioară,

fixat cu teacă și brățară circulară peste picior. Marcatorii, utilizați pentru analiza cinematicii ocupantului pe baza probelor video,

confecționați din folie autocolantă, au fost amplasați pe corpul ocupantului. Amplasarea dispozitivelor de achiziție a datelor și marcatorilor pe corpul

ocupantului sunt prezentate în Figura 5.3.

Figura 5.3. Echiparea Pilotului 1 cu dispozitive mobile de achiziție date și cu marcatori

Page 45: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

45

Pilotul 2: A fost utilizat doar în testele 1 și 2 pentru pilotarea VEH.2. Date fiind condițiile de testare din aceste teste și riscul redus de vătămare,

măsurile de protecție pentru Pilotul 2 au fost focalizate pe protecția capului și gâtului la impact spate.

5.2.5 Pregătirea aparaturii de achiziție date

Aparatura folosită în cadrul experimentului este destinată achiziției a trei tipuri specifice de date și este prezentată în continuare după acest criteriu de clasificare:

A. Aparatura pentru determinarea vitezei autovehiculelor A1. Sistemul de achiziție a datelor GPS DS-5 Acest sistem are două componente principale: echipament (hardware) şi

program (software). Echipamentul este compus din receptorul GPS, un calculator (mini-notebook sau tablet-PC) şi interfaţa de conectare (RS232-USB). Programul este de tip stand-alone (funcţionarea sa nu depinde de alte programe) realizată în limbajul Delphi şi realizează funcţiile de achiziţie a datelor şi înregistrare a acestora în fişiere de tip text.

Pe baza receptorului Garmin GPS 18x-5Hz a fost realizat un instrument propriu destinat analizei comportamentului dinamic al autovehiculului (numit DS-5).

Receptorul GPS 18x-5Hz Este un senzor GPS destinat în special utilizării la operarea utilajelor, ghidare şi

diferite aplicaţii în agricultură unde sunt necesare informaţii de poziţionare şi viteză foarte precise.

Echipamentul DS-5 – hardware Sistemul este compus din receptorul GPS 18x-5Hz, un calculator (notebook),

cablu de adaptare RS232 – USB şi, dacă este cazul, un sistem de alimentare de la priza de 12 V a autovehiculului.

Pentru achiziţia, prelucrarea şi salvarea datelor recepţionate cu ajutorul sistemului DS-5 (bazat pe GPS 18x-5Hz) a fost elaborat un program dedicat, folosind mediul de dezvoltare Borland Delphi (care are la bază limbajul de programare Pascal). Datele sunt înregistrate în fişiere de tip text.

Figura 5.4. Sistemul complet de achiziţie bazat pe GPS 18x-5Hz - 2 receptoare, conectică, programul de achiziţie a datelor GPS, instalat pe un mini-notebook (Asus Eee) şi pe tablet-PC (Asus R2E).

A2. Clasificatorul de trafic DataCollect SDR

Clasificatorul de trafic SDR foloseşte un radar cu efect Doppler, cu frecvenţă de 24,125 GHz, pentru detectarea vehiculelor (efectul Doppler se bazează pe deplasarea

Page 46: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

46

în frecvenţă a semnalului transmis de radar şi reflectat de un obiect în mişcare). DataCollect SDR poate măsura viteze între 3 şi 250 km/h, cu o rezoluţie de 1 km/h. Acest tip de dispozitiv este util pentru măsurarea vitezelor vehiculelor ce trec printr-o secţiune a drumului, dar nu poate da informaţii despre profilul vitezei.

B. Aparatura de înregistrare a imaginilor foto-video B1. Camera Casio Exilim EX-F1 Casio Exilim EX-F1 este o cameră foto-video care permite înregistrarea

imaginilor video în format digital cu viteze de pană la 1200 cadre pe secundă (1200 fps) și a imaginilor foto la rezoluție de până la 2816 x 2112 pixeli. Aceasta a fost camera principală utilizată pentru înregistrarea video de mare viteză, în cadrul testelor de coliziune efectuate, fiind fixată pe trepied în poligonul de încercări.

B2. Camera Casio Exilim EX-FC100 Această cameră video a fost utilizată în cadrul testelor 1-3 ca dispozitiv de

înregistare a imaginilor video din interiorul VEH.1, iar în testul 4 a fost montată pe trepied și poziționată în poligonul de încercări. CASIO EX-FC100 dispune de o viteză de înregistrare a imaginilor video cu viteze de până la 1000 cadre pe secundă (1000 fps) dar, pentru testele efectuate, setările au fost efectuate la frecvența de 210 fps, aceasta fiind considerată optimă în condițiile de testare.

B3. Camera Nikon Coolpix L22 Camera foto-video digitală Nikon Coolpix L22 a fost utilizată pe durata

experimentului ca și cameră secundară montată pe trepied în poligonul de încercări pentru preluarea imaginilor video, dar și pentru fotografiile efectuate în timpul pregătirilor și desfășurării testelor.

C. Aparatura pentru înregistrarea accelerațiilor. C1. Dispozitivul mobil de achiziție date. Pentru achiziționarea datelor referitoare la accelerațiile autovehiculului, capului,

toracelui și genunchiului ocupantului s-au folosit dispozitive electronice mobile de tip smartphone dotate cu senzor de accelerație tridimensional. Acestea utilizează sistemul de operare Android ver. 2.3 sau o versiune superioară, care permite instalarea aplicației AndroSensor. Această aplicație permite înregistrarea valorilor accelerației în timp real, cu o frecvență de pâna la 20 de înregistrări pe secundă, și stocarea datelor în memoria dispozitivului de unde ulterior pot fi preluate sub forma de fișier .xls

Axele de coordonate după care sunt înregistrate valorile accelerațiilor sunt evidențiate în Figura 5.5 a.

C2. Acuratețea datelor înregistrate cu dispozitivul mobil smartphone [48] Conform unui studiu experimental efectuat la Institutul de Tehnologie din

Massachusetts, s-a arătat că accelerațiile înregistrate și stocate în dispozitivele mobile, respectiv telefoanele mobile de tip smartphone dotate cu accelerometru triaxial, sunt identice cu cele stocate în sistemul OBD (On-Board Diagnostics) al autovehiculelorrespectiv cu cele înregistrate de aparatura special construită pentru achiziția și stocarea acestor date. În cadrul studiului a fost efectuat următorul experiment: Pe un autovehicul dotat cu sistem OBD II care s-a deplasat pe un traseu prestabilit au fost montate:

- un accelerometru cu 3 axe de înaltă fidelitate tip X16-1A, cu posibilitatea de reglare a frecvenței înregistrării datelor până la 160 Hz, și stocarea acestora pe un dispozitiv de memorie USB;

- un smartphone tip Nokia N95, dotat cu modul GPS și accelerometru triaxial, acesta din urmă având o rată de refresh de 10Hz.

Page 47: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

47

Figura 5.5. Sistemul de coordonate ale aceelerometrului triaxial11

(a). Interfața aplicației AndroSensor

(b)

Figura 5.6. Accelerația pe direcție longitudinală înregistrată cu accelerometrul triaxial X16-1A comparativ

cu accelerația pe direcție longitudinală dată de smartphone12

Concluzia în ceea ce privește acuratețea datelor înregistrate cu ajutorul dispozitivului mobil smartphone este accea că acest dispozitiv poate fi folosit cu rezultate bune pentru înregistrarea valorilor accelerației într-un sistem tridiensional.

5.2.6 Stabilirea condițiilor mediului de testare

Experimentul s-a desfășurat între orele 10:00 și 16:00. în condiții meteorologice, de luminozitate și starea carosabilului bune. Pentru ca poligonul de încercări să fie iluminat corespunzător, s-a urmărit ca programul desfăşurării testelor să fie coresupndă cu fusul orar corespunzător poziţiei optime a soarelui în ziua testării..

11

Sursa: http://www.research.att.com 12

Sursa: [48] pg. 42

Page 48: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

48

5.3 Desfășurarea experimentului

5.3.1 Etapele desfășurării testelor de coliziune

Experimentul s-a desfășurat conform scenariului prezentat anterior, efectuându-se patru încercări de impact tip vehicul-vehicul. Etapele desfășurării testelor 1, 2 și 3 au fost marcate prin următoarele operațiuni și evenimente comune:

înainte de impact: au fost așezate autovehiculele în poziția de impact, a fost inițializat dispozitivul GPS pentru măsurarea vitezei autovehiculului împingător, au fost inițializate dispozitivele de înregistrare a datelor, autovehiculul împingător s-a deplasat în poziția de start pe traiectoria de accelerare în sens opus, a fost pornită întegistrarea camerelor video, s-a dat semnalul pentru deplasarea și accelerarea autovehiculului împingător, a avut loc impactul între autovehicule după scenariul propus.

după impact: a fost oprită înregistrarea camerelor video, au fost oprite dispozitivele de îregistrare a accelerațiilor, s-au efectuat fotografii.

5.3.2 Desfășurarea testului 1- impact din spate

Condițiile testului: - ora 12:48 ±2 minute - VEH.1 - oprit, cu pilotul 1 la volan; - VEH.2 - deplasare în manșalier; - unghiul de impact: 180°; - gradul de acoperire al coliziunii: 100%; - viteza de impact: v20 = 13,14 km/h; Schema de poziționare a vehiculelor în momentul impactului este prezentată în

Figura 5.9.

Figura 5.7. Poziția autovehiculelor în momentul impactului - Testul 1

Page 49: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

49

Figura 5.8. Testul 1. Poziționerea vehiculului VEH.2 pentru impact

5.3.3 Desfășurarea testului 2- impact lateral

Condițiile testului: - ora 13:09 ±2 minute - VEH.1 - oprit, cu pilotul-manechin la volan; - VEH.2 - deplasare în manșalier; - unghiul de impact: 88°; - gradul de acoperire al coliziunii: 100%;

- viteza de impact: V 0= 19,69 km/h; Schema de poziționare a vehiculelor în momentul impactului este prezentată în

Figura 5.9.

Figura 5.9. Poziția autovehiculelor în momentul impactului Testul 2

Page 50: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

50

Figura 5.10. Poziționarea autovehiculelor în poligon înaintea testului 2

5.3.4 Desfășurarea testului 3 - impact frontal

Condițiile testului: - ora 14:02 ±2 minute - VEH.1 – deplasare spre înainte condus de pilotul1; - VEH.2 – oprit, fără pilot; - unghiul de impact: 180°; - gradul de acoperire al coliziunii: 100%; - viteza de impact: v10 =34,08 km/h; Schema de poziționare a vehiculelor în momentul impactului este prezentată

înFigura 5.11.

Figura 5.11. Poziția autovehiculelor în momentul impactului - Testul 3

Page 51: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

51

Figura 5.12. Pozițiile autovehiculelor după impact. Testul 3

5.3.5 Concluzii privind desfășurarea cercetării experimentale

După realizarea testelor de coliziune descrise anterior, au fost fomulate următoarele concluzii referitoare la pregătirea și desfășurarea secțiunii experimentale a cercetării:

pregătirea experimentului s-a finalizat în termenul stabilit;

experimentul s-a desfășurat conform metodologiei propuse și prezentate în subcapitolele anterioare;

testele de impact au avut loc după configurația și în condițiile prevăzute în programul experimentului;

cu mici excepții, aparatura de achiziție date a funcționat în condiții normale permițând achiziționarea datelor de interes;

coordonarea întregului experiment și implementarea măsurilor de prevenție au asigurat desfășurarea experimentului fără accidentări sau alte evenimente nedorite;

defecțiunile tehnice apărute în timpul experimentului au fost remediate cu rapiditate.

pe durata desfășurării testelor de impact condițiile meteorologice au fost unele prelnice care au permis efectuarea testelor și achiziția datelor în bune condiții;

Page 52: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

52

6. ACHIZIȚIA, ANALIZA ȘI CORELAREA DATELOR EXPERIMENTALE CU REZULTATELE MODELĂRII MATEMATICE

6.1 Achiziția datelor

6.1.1 Procedura de achiziție a datelor experimentale

Viteza de impact (viteza vehiculului împingător) a fost determinată pe baza înregistrărilor efectuate cu ajutorul sistemului de achiziție a datelor GPS-DS5. Datele achiziționate au fost preluate sub formă de fișiere text și au fost prelucrate ulterior prin metode de calcul numeric specifice aplicaților Excel și OriginPro.Accelerația vehiculului împingător a fost determinată prin derivarea numerică a caracteristicii vitezei.

Accelerațiile ax, ay și az ale VEH.1 în timpul testelor 1, 2 și 3, au fost măsurate cu ajutorul accelerometrului montat pe consola centrală a autovehiculului. De asemenea accelerațiile ocupantului au fost măsurate cu accelerometrele tridimensionale amplasate la nivelul capului, toracelui și genunchiului.

Valorile acceleraţiei întegistrate cu ajutorul accelerometrelor au fost preluate sub formă de fişier Excel iar apoi au fost efectuate o serie de operaţiuni de prelucarea a datelor folosind metode de calcul matematic.

6.1.2 Achiziția datelor din testul 1

Cu ajutorul accelerometrelor montate pe corpul pilotului din autovehiculul împins (VEH.1) au fost măsurate accelerația capului ocupantului (Figura 6.2.a) și accelerația toracelui ocupantului (Figura 6.2.b).

a. b.

Figura 6.1. a.-Viteza și accelerația VEH.2, b.-Accelerația VEH.1 – Testul nr.1.

Din analiza caracteristicilor prezentate în Figura 6.1.b și Figura 6.2 se poate observa că accelarația toracelui și capului ocupantului, az este determinată în mod direct de componenta accelarației vehiculului pe aceeași direcție (Oz).În cazul

Page 53: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

53

impactului din spate, principalul risc de vătămare a ocupantului este reprezentat de vătămarea gâtului (whiplash). În acest acest sens, pentru estimarea riscului de vătămare pe baza criteriului de vătămare a gâtului la impact din spate (NIC), prezintă importanță componentele accelerației toracelui și capului ocupantului pe direcția impactului, Ox.

a. b.

Figura 6.2. Accelerația ocupantului - torace (a) și cap (b). Testul nr.1

6.1.3 Achiziția datelor din testul 2

a. b.

Page 54: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

54

Figura 6.3. Viteza și accelerația VEH.2 (a), accelerația VEH.1 (b) - Testul 2.

În Figura 6.4 se poate observa că valorile extreme ale accelarației toracelui și capului ocupantului au fost înregistrate de componentele ay, așadar riscul de vătămare al ocupantului la impact frontal va fi evaluat pe baza parametrilor cinematici ai ocupantului corespunzători deplasării pe direcția Oy.

a. b.

Figura 6.4. Accelerația ocupantului - torace (a) și cap (b). Testul nr. 2

6.1.4 Achiziția datelor din testul 3

a. b.

Page 55: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

55

Figura 6.5. Viteza și accelerația VEH.1 (a), Accelerația VEH.1.(b) Testul 3.

a. b.

Figura 6.6. Accelerația ocupantului - torace (a) și cap (b). Testul 3

Caracteristica vitezei și cea a accelerației vehiculului împingător (VEH.2) pot fi observate în Figura 6.5.a, iar componentele decelerației aceluiași vehicul după axele sistemului de coordonate sunt prezentate în Figura 6.5.b. În Figura 6.6 sunt evidențiate componentele accelerației toracelui și capului ocupantului pe durata impactului frontal.

6.2 Prelucrarea datelor și interpretarea rezultatelor

6.2.1 Date prelucrate și obiectivele urmărite

Așa cum s-a arătat în primele două capitole ale lucrării, pentru studiul cinematicii ocupantului și estimarea riscului de vătămare la impact, în prezent se utilizează modelele mecanice (ATD). În cadrul experimentelor efectuate, ocupantul a fost un subiect uman, iar pentru estimarea riscului de vătămare s-au utilizat atât parametri cinematici specifici criteriilor de vătămare bazate pe ATD cât și parametri specifici criteriilor de vătămare bazate pe cinematica autovehiculului.

Datorită faptului că scenariile celor patru teste de coliziune efectuate au fost diferite, obiectivele urmărite, datele prelucrate și rezulatele obținute sunt specifice fiecărui test în parte.

6.2.2 Prelucrarea și analiza datelor experimentale din testul 1

Prin integrarea caracteristicilor accelerației s-au obtinut caracteristicile vitezei prezentate in Figura 6.7.

Criteriul de vătămare al gâtului la impact din spate NIC Criteriul NIC pentru impact din spate (Testul 1) a fost calculat pe baza

accelerațiilor capului și toracelui pe direcția Ox:

, coform relațiilor (6.1). Viteza relativă cap-torace vrel, s-a obținut prin integrarea numerică a caracteristicii accelerației relative cap-torace arel.

Page 56: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

56

(6.1)

a. b.

Figura 6.7. Viteza vehiculului împins-VEH.1 (a) și vitezele toracelui și capului ocupantului (b). Testul nr.1

Figura 6.8. Criteriul de vătamare al gâtului – NIC, la impact din spate. Testul 1

În intervalul 0-150 ms, valoarea maximă a fost: NIC = 3,45 m2/s2 (Figura 6.8).Toleranța corpului uman la vătămarea whiplash este: NICmax = 15 m2/s2 (Bostrom,1997).

6.2.3 Prelucrarea și analiza datelor experimentale din testul 2

În cadrul testului de impact lateral, datorită pozitiei ocupantului în interiorul vehiculului și configurației impactului dintre vehicule, corpul ocupantului nu a intrat în

Page 57: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

57

contact cu interiorul vehiculului. Pentru evaluarea riscului de vătămare al ocupantului la impact lateral au fost

determinați parametri cinematici și dinamici ai vehiculului și ocupantului, utilizati în calculul criteriilor de vătămare.

A. Analiza riscului de vătămare la impact lateral cu ajutorul criteriilor de vătămare bazate pe vehicul

a. Viteza vehiculului și viteza ocupantului Viteza vehiculului VEH.1, pe direcția Oy, reprezentată în Figura 6.9.a și vitezele

capului și toracelui ocupantului pe directia Oy, vcy și vty, reprezentate în Figura 6.9.b, au fost determinate prin integrarea numerică a caracteristicilor accelerației.

b. Accelerația, viteza și deplasarea relativă vehicul-cupant În testul de coliziune laterală amplitudinea maximă a mișcării vehiculului și

ocupantului au avut loc pe direcția forței de impact dintre cele două vehicule, respectiv pe direcția axei Oy. Pe baza înregistrărilor accelerometrelor montate pe vehiculul VEH.1, respectiv pe toracele și capul ocupantului au fost determinate accelerațiile relative cap ocupant – vehicul (acv.y), respectiv torace ocupant - vehicul (atv.y).

(6.2)

Unde, avy, acy, aty sunt componentele accelerației vehiculului, capului, și respectiv toracelui ocupantului pe direcția axei Oy [m/s2];

Prin integrarea numerică a caracteristicilor accelerației relative s-au obținut vitezele relative (vcv.y și vtv.y) cap ocupant – vehicul și torace ocupant – vehicul .Pe baza acestora s-au obtinut deplasările relative (dcv,y și dtv.y).

a. b.

Figura 6.9. a. Viteza vehiculului împins-VEH.1 pe directia Oy b. Vitezele toracelui și capului ocupantului pe directia Oy. Testul 2

c. Indexul de severitate a accelerației. Indexului de severitate a accelerației (ASI), a fost calculat după prelucrarea

datelor înregistrate cu accelerometrul montat pe vehiculul VEH.1, în testul de coliziune laterală.

Page 58: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

58

Parametri cimenematici utilizați în cadrul criteriilor de vătămare bazate pe vehicul, obținuți prin prelucrarea datelor experimentale achiziționate în cadrul testului de coliziune laterală, au fost sintetizați în Tabelul 6.1.

Tabelul 6.1

Criteriul de vătămare

Valori obținute în testul de coliziune laterală (testul 2)

Valori acceptabile

/ limită

Δv Δv=1,55 m/s=5,58 km/h -

am amax=1,43 g 3 g 5 g

Criteriul masei

concentrate libere

Deplasarea relativă maximă: -cap ocupant-vehicul: dcv.max = 0,45 m -torace ocupant-vehicul dtv.max = 0,26 m

0,3 m

Viteza relativă maximă -cap ocupant-vehicul: vcv.max = 1,78 m/s -torace ocupant-vehicul vtv.max = 1,24 m/s

9 m/s 12 m/s

Accelerația relativă maximă: -cap ocupant-vehicul: acv.max=17,45 m/s2 =1,78 g -torace ocupant-vehicul atv.max=13,18 m/s2=1,38 g

15 g 20 g

ASI ASImax=0,25 1

1,4

Criteriul accelerației medii. Valoarea accelerației maxime înregistrată de

vehiculului împins de 1,43 g, este semnificativă în raport cu valorile acceptabilă, respectiv maximă recomandate pentru acest criteriu de vătămare.

Criteriul masei concentrate libere. Valoarea deplasării toracelui comparativ cu valoarea limită (0,3 m) indică faptul că riscul de vătămare este practic inexistent, deplasarea efectivă maximă a toracelui fiind de 0,26 m.

Indexul de severitate al accelerației. Valoarea maximă a criteriului ASI înregistrată la momentul t=0,15 ms indică un risc de vătămare redus.

Dintre criteriile de vătămare care au la bază parametri cimenatici ai vehiculului, în codițiile unei viteze relative de coliziune laterală vehicul-vehicul redusă, apropiată de cea înregistrată în testul 2 (19,69 km/h) cea mai mare relevanță în aprecierea riscului de vătămare a ocupantului o au criteriul accelerației medii (am) și indexul severității accelerației (ASI).

B. Analiza riscului de vătămare la impact lateral pe baza parametrilor cinematici ai vehiculului și ocupantului.

a. Viteza de impact vehicul-ocupant În testul de coliziune laterală (testul 2) ocupantul vehiculului VEH.1 a fost

poziționat pe locul conducătorului auto, în partea din față-stânga a vehiculului, iar vehiculul VEH.1 a fost lovit de către vehiculul VEH.2 în partea laterală dreapta. În aceste condiții de coliziune nu a existat impact între ocupantul vehiculului VEH.1 și vehicul. În Figura 6.10 este reprezentat schematic impactul ocupant vehicul în cazul coliziunii laterale a vehiculului. În faza ante-coliziune, postura ocupantului este normal așezat (Figura 6.10. a). În faza de coliziune corpul ocupantului se deplasează pe direcția forței de impact și, în funcție de severitatea coliziunii poate avea loc impactul ocupant vehicul (Figura 6.10. b).

În Tabelul 6.2 sunt prezentate valorile cotelor care definesc poziția ocupantului în habitaclu conform măsurătorilor efectuate în cadrul testului de coliziune laterală.

Page 59: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

59

Figura 6.10. Reprezentarea schematică a impactului ocupant-vehicul la coliziune laterală

Pe baza acestor cote și a parametrilor cinematici ai vehiculului și ocupantului, înregistrați în cadrul testului de coliziune laterală s-au facut următoarele observații:

- folosind caracteristicile deplasării ocupantului, au fost identificate momentele ipotetice ale impactului dintre capului ocupantului respectiv toracele ocupantului și structura laterală a vehiculului, pe baza distantei cap-vehicul (H=0,25 m), respectiv a distanței torace-vehicul (J=0,11m). Momentul de impact al capului ar fi fost tc=0,27 s, iar momentul de impact al toracelui ar fi fost tt=0,23 s

Tabelul 6.2

Simbolul H J K L M N

Cota laterală [m]

0,25 0,11 0,11 0,13 0,12 0,30

- vitezele de impact cap-vehicul și torace vehicul, corespunzătoare momentelor

de impact, sunt vcv=1,7 m/s, respectiv vtv= 1,2 m/s - acceleratiile de impact cap-vehicul și torace-vehicul sunt: acv=-2,49 m/s2,

respectiv atv=3,83 m/s2. Se poate observa că atât viteza de impact cap-vehicul cât și viteza de impact

torace-vehicul ating valoarea maximă într-un moment apropiat de momentului impactului ocupant-vehicul.

Cercetările experimentale efectuate pe cadavre umane la viteze de impact lateral al capului cuprinse în intervalul 2,8...6,1 m/s arată s-au înregistrat vătămări ale capului de nivel AIS3 și AIS4, respectiv fracturi ale osului temporal, ale bazei craniului și coloanei cervicale precum și vătămări ale creierului. Aceste vătămări au fost observate în cazul vitezelor de impact mai mari de 4 m/s [61]. Astfel, se poate aprecia că viteza ipotetică de impact cap ocupant-vehicul vcv=1,7 m/s poate cauza vătămări ale capului cum ar fi leziuni cerebrale ușoare, leziuni cervicale ușoare, contuzii (AIS1) sau contuzii cu fisuri craniene însoțite sau nu de incoștientă scurtă (AIS2) [80].

b. Criteriul de vătămare al capului Întrucât în timpul impactului, atât ocupantul cât și vehiculul se află în mișcare,

Page 60: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

60

vătămările suferite de ocupant la nivelul capului au la bază mișcarea relativă cap ocupant-vehicul.

Figura 6.11. Criteriul de vătămare al capului (HIC) Testul 2

Valoarea maximă determinată pentru criteriul de vătămare al capului este HICmax=400, la momentul tHICmax=0,34 s. Considerînd dependența dintre gradul de vătămare și HIC, se poate aprecia că pentru valoarea HICmax leziunile capului pot fi de nivel AIS1.

c. Criteriul de vătămare al gâtului la impact lateral În scopul determinării valorii criteriului de vătămare a gâtului la impact lateral,

NICL, au fost determinate accelerația relativă cap-torace, respectiv viteza relativă cap-torace.

Figura 6.12. Criteriul de vătămare a gâtului – NIC, la impact lateral. Testul 2

În intervalul de timp 0-0,15 s criteriul de vătămare al gâtului a înregistrat valoarea NIC=2,52 m2/s2. Întrucât valoarea maximă este NICmax = 15 m2/s2 se poate aprecia că

Page 61: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

61

riscul de vătămare este nesemnificativ, în condițiile desfășurării testului de impact ateral.

Criteriile de vătămare fundamentate pe parametri cinematici și dinamici ai vehiculului nu pot fi utilizațe cu rezultate satisfăcătoare pentru estimarea riscului de vătămare a ocupantului la impact lateral în intervalul vitezelor relative de coliziune vehicul-vehicul mai mici de 20 km/h.Utilizarea criteriilor de vătămare care au la bază parametri cinematici și dinamici ai ocupantului și vehiculului poate conduce la rezultate concludente în ceea ce privește riscul de vătămare a ocupantului la impact lateral în cazul coliziunilor vehicul-vehicul când viteza relativă de coliziune este mai mică de 20 km/h.Estimarea riscului de vătămare a ocupantului, pe baza criteriilor de vătămare, în cazul coliziunilor laterale vehicul-vehicul a permis elaborarea următoarelor concluzii:

la viteze de impact vehicul-vehicul mai mici de 20 km/h se pot produce leziuni de grad AIS1 și AIS2 ale capului și gâtului ocupantului;

vătămarile zonei toracice, a umărului și brațului pot fi de nivel AIS1 (contuzii, abraziuni sau escoriații) pentru același interval al vitezelor de impact.

gradul de vătămare al ocupantului la impact lateral nu este în mod semnificativ influențat de utilizarea sitemului centură de siguranță

6.2.4 Prelucrarea și analiza datelor experimentale din testul 3

A. Parametri cinematici utilizați în analiza riscului de vătămare a ocupantului la impact frontal

Din punct de vedere cinematic, impactul frontal este caracterizat de mișcarea vehiculului și ocupantului pe direcția deplasării vehiculului, respectiv pe direcția axei Ox în sistemul de coordonate asociat vehiculului. În acest sens, pentru evaluarea riscului de vătămare ocupantului la impact frontal au fost utilizați parametri cinematici specifici mișcării pe axa Ox.

a. Accelerația vehiculului și ocupantului Caracteristicile accelerației vehiculului, și ocupantului (torace și cap) prezentate

în Figura 6.13 sunt folosite în estimarea riscului de vătămarea pe baza criteriului accelerației maxime a(3ms).

Figura 6.13. Accelerațiile vehiculului și ocupantului pe direcția ox, la impact frontal.Testul 3

b. Viteza vehiculului VEH.1 și viteza ocupantului

Page 62: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

62

a. b.

Figura 6.14. Viteza vehiculului VEH.1 (a), Vitezele toracelui și capului ocupantului (b). Testul 3

Caracteristica vitezei vehiculului utilizată în evaluarea riscului de vătămare pe baza criteriului Δv este prezentată în Figura 6.14.a. Pentru determinarea vitezelor și deplasăriilor relative ocupant-vehicul au fost trasate caracteristicile vitezei toracelui (vt) și capului ocupantului (vc), prezentate în Figura 6.14.b.

B. Analiza riscului de vătămare a ocupantului la impact frontal pe baza parmetrilor cinematici specifici vehiculului.

B1. Criteriul Δv Conform graficului din Figura 6.14, se poate observa că variația totală a vitezei

vehiculului VEH.1 în timpul impactului frontal a fost de 9,46 m/s (34.08 km/h). Riscul de vărămare al ocupantului estimat cu ajutorul graficului din Figura 1.4 este de 0,05.

B2. Criteriul accelerației maxime Decelerația maximă a vehiculului a fost de 1.12 g (11,12 m/s2, Figura 6.5.a),

valoare nesemnificativă în raport cu valorile limită. C. Analiza riscului de vătămare a ocupantului la impact frontal pe baza

parmetrilor cinematici specifici vehiculului. C1. Criteriul de performanță al capului HPC Accelerația rezultantă a capului ocupantului (Figura 6.15.a) a fost calculată pe

baza componemtelor acceleratiei capului. Prin integrarea numerică accelerației

rezultante s-au obținut valorile factorului

din relația de calcul a HIC, după care

au fost calculate valorile HIC36 și a fost trasată caracterisica criteriului de performanță al capului, prezentată în Figura 6.15.b.

Page 63: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

63

a. b.

Figura 6.15. a. Accelerația rezultantă a capului ocupantului, b. Criteriului de performanță al capului HPC. Testul 3

În testul de coliziune frontală, ocupantul a anticipat momentul impactului, realizând sprijinirea corpului cu ajutorul membrelor inferioare în podeaua vehiculului , respectiv a membrelor superioare în volan, astfel deplasarea coprului spre înainte, pe direcția impactului a fost redusă. Totodată, centura de siguranță a limitat deplasarea trunchiului ocupantului iar deplasarea capului relativ la trunchi a fost redusă prin reacția ocupantului de încordare a musculaturii gâtului.

Valoarea maximă a criteriului de performanță al capului, ca limită de toleranță a corpului uman, este HPC=1000. Din Figura 6.15.a se observă că accelerația capului a înregistrat valoarea maximă la momentul t=0,28 s, valoarea criteriului de performanță al capului la acest moment fiind HPC= 65. Se poate concluziona că în condițiile desfășurării testului de coliziune frontală nu a existat un risc real de vătămare a capului ocupantului.

C2. Criteriul de vătămare al gâtului la impact frontal Nij

Criteriul de vătămare al gâtului NCF (compresiune-flexie)

(6.3)

FCF - forțele de compresiune și forfecare în punctul cap/gât [N]; FCFcr - forța critică [N]; MF - momentul de flexie după axa oy în punctul cap/gât [N]; MFcr - momentul critic [N]. FC - forța de compresiune în punctul cap/gât [N]; FCcr - forța critica de compresiune [N]; FF - forța de forfecare în punctul cap/gât [N]; FFcr - forța critică de forfecare[N];

(6.4)

(6.5)

Page 64: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

64

Figura 6.16. Schița pentru determinarea NCF și NTE

+

(6.6)

mcap – masa capului cu cască [kg]; aCT

rel.i – accelerația relativă cap-torace după axa oi [m/s2]; di – distanța pe axa oi dintre punctul cap/torace și punctul de măsurare a

accelerației [m]. A fost calculat criteriului de vătămare a gâtului la solicitările de compresie –flexie

NCF (Figura 6.17). Valorile extreme sunt: NCFmax = 0,232 la 0,106 s NCFmin = - 0,482 la 0,208 s.

Criteriul de vătămare al gâtului NTE (tensiune-extensie)

(6.7)

A fost calculat criteriului de vătămare a gâtului la solicitările de tensiune – extensie NTE (Figura 6.17). Valorile extreme sunt:

NTEmax = 0,916 la 0,208 s NTEmin = - 0,455 la 0,106 s.

Page 65: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

65

Figura 6.17. Criteriile de vătămare a gâtului NCF și NTE

Valoarea limită a criteriului Nij este 1. În aceste condiții riscul de vătămare al gâtului la impact frontal este real.

6.2.5 Studiul cinematicii și dinamicii impactului frontal pe baza probelor video

A. Studiul cinematicii impactului vehicul-vehicul Proba video principală achiziționată în timpul testului 3 reprezintă filmul

impactului realizat cu camera Casio Exilim F1-EX la frecvența de 300 fps. Cu ajutorul programului KM Player versiunea 3.3.0.33 KMP Plus s-au obținut fișierele foto de tip .jpeg prin captura din fișierul video. Imaginile foto în format .jpg astfel obținute au fost prelucrate apoi cu ajutorul aplicației ProTrainer 8.0 în scopul determinării deplasărilor autovehiulelor în timpul impactului.

ProTrainer furnizează pentru fiecare segment măsurat următoarele mărimi: lungimea segmentului, lungimea proiecțiilor segmentului pe axele orizontală și verticală ale fotografiei, unghiul segmentului cu axa orizontală (Figura 6.18).

Pentru determinarea deplasării relative a autovehiculelor în timpul impactului au fost măsurate distanțele dintre centrele roților din față și dintre marcatorii amplasați pe autovehicule (Figura 6.18). Pe baza caracteristicilor din Figura 6.19 a fost determinat punctul de impuls ca fiind momentul în care distanța relativă dintre autovehicule a fost minimă, respectiv după 80 ms de la începutul impactului.

Deformația dinamică are loc la nivelul întregii structuri frontale a autovehiculelor motiv pentru care se consideră mai aproape de realitate caracteristica distanței relative obținută prim măsurarea între marcatorii amplasați pe autovehicule;

Page 66: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

66

Figura 6.18. Măsurarea distanței relative dintre autovehicule în timpul impactului cu ajutorul aplicației ProTariner 8.0 – Testul 3

Figura 6.19. Distanța relativă dintre autovehicule în timpul impactului – testul 3

B. Studiul cinematicii ocupantului Proba video filmată cu camera de mare viteză Casio Exilim EX-F1 constituie unul

dintre elementele de baza folosite pentru studiul cimenaticii ocupantului în timpul impactului frontal. Fișierul video a fost prelucrat cu ajutorul programului KM Player obținându-se imaginile video în format .jpg. a secvențelor impactului.Prelucrarea imaginilor fotografice s-a făcut cu programul ProTrainer și a constat în macarea și măsurarea distanțelor între marcatorul amplasat stâlpul stânga al autoturismului VEH.1 (Lancia) și marcatorii amplasați pe partea laterală stânga a corpului ocupantului .

Page 67: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

67

Figura 6.20. Schița pentru determinarea cinematicii ocupantului în impactul frontal

În figura Figura 6.21 sunt prezentate caracteristicile deplasării segmentelor corpului ocupantului în sistemul de referință al autovehiculului, pe direcția axei ox, în timpul impactului frontal, comparativ cu caracteristica distanței relative dintre autovehicule.

Figura 6.21. Deplasarea segmentelor corpului ocupantului în timpul impactului frontal – Testul 3

6.2.6 Determinarea amplitudinii deformațiilor autovehiculelor și calculul energiei de deformare

A. Măsurarea profilului deformat prin metoda fotogrametriei [8], [75] A1. Modelarea profilului nedeformat al autovehiculului Pe baza fotografiilor efectuate înaintea testelor de coliziune a fost modelat profilul

nedeformat al autovehiculelor. Pentru modelarea profilului nedeformat al autoturismului Lancia, folosit în testele de coliziune, s-au folosit patru fotografii ale autovehiculului neavariat.

Page 68: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

68

Figura 6.22. Modelarea profilului nedeformat al autovehiculului cu PhotoModeler Scaner 6.2.2

A2. Modelarea profilului deformat al autovehiculului Amplitudinea deformațiilor remanente, în punctele de măsurare, se obține prin

diferența dintre coordonalele punctelor aparținând profilului nedeformat, măsurate pe direcția Ox și coordonatele punctelor corespondente de pe profilul deformat, măsurate pe aceeași direcție

Figura 6.23. Determinarea amplitudinii deformațiilor

. În Figura 6.23 este exemplificat modul în care au fost determinate coordonatele punctelor folosite în calculul a deformațiilor

B. Măsurarea deformațiilor vehiculelor prin metoda profilometrului laser [16]

În cadrul acestei lucrări este propusă o metodă nouă de măsurare a profilului deformat care folosește sistemul de coordonate carteziene. Metoda profilometrului constă în măsurarea, într-un sitem de coordonate carteziene, a valorilor deformației în mai multe puncte ale profilului deformat și a profilului nedeformat.

Page 69: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

69

Figura 6.24. Măsurarea profilului deformat cu dispozitivul telemetru laser

Figura 6.25. Schița pentru determinarea amplitudinii deformațiilor

C. Calculul energiei deformare Valorile deformației remanente au fost determinate pe baza măsurătorilor și

imaginilor fotografice efectuate după fiecare test de colizune din cadrul cercetării experimentale.

Energia de deformare a fost calculată folosind aplicația PC Crash, pe baza relației (2.31).

Valorile coeficienților de rigiditate utilizați la calculul energiei de deformare pentru zonele deformate ale fiecărui vehicul, valorile energiei de deformare și ale vitezei echivalente de coliziune sunt evidențiate în

Page 70: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

70

Tabelul 6.3

Nr. test coliziune

Vehicul Zona

deformată

Coeficienți de rigiditate

Energia de deformare [J] EBS

[km/h] A [N/m] B [N/m

2] Partială Totală

Testul 1 VEH.1-Lancia spate 33.208,7 356.954,2 3.294

6.437 8,0

VEH.2-Ford spate 28.429,3 340.888,8 3.143 8,1

Testul 2 VEH.1-Lancia lateral dr. 17.469,0 536.086,3 6.631

11.379 11,0

VEH.2-Ford spate 28.429,3 340.888,8 4.748 10,6

Testul 3 VEH.1-Lancia față 36.189,5 482.443,2 23.106

44.625 20,4

VEH.2-Ford față 85.889,0 770.401,8 21.519 20,9

Coeficienții de rigiditate utilizați în calculul energiei consumate pentru deformarea

părții frontale a autoturismului Ford sunt cei obținuți în cadrul testelor de coliziune frontală cu barieră fixă, iar în celelalte cazuri au fost uitizați coeficienți de rigiditate de clasă ai vehiculelor [Andrews].

6.3 Corelarea datelor teoretice cu rezultatele cercetării experimentale

Modelul matematic realizat integrează într-un concept unitar impactul primar dintre vehicul și partenerul de coliziune, respectiv impactul secundar dintre ocupant și vehicul, astfel întrucât pulsul real al impactului primar este transmis ocupantului. În scopul estimării riscului devătămare al ocupantului la impact frontal s-a considerat criteriul accelerației maxime a toracelui – a(3ms). În modelul matematic realizat, corpul de masă m4 reprezintă trunchiul, capul și brațele ocupantului.

a. b.

Figura 6.26. Caracteristicile accelelerației (a.) și vitezei (b.) vehiculului obținute pe cale experimentală și prin simulare

Obiectivul elaborării modelului matematic este determinarea parametrilor cinematici ai centrului de masă al acestui corp, în condițiile impactului frontal al vehiculului. Parametri cinematici utilizați pentru validarea modelului matematic pe baza

Page 71: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

71

datelor experimentale obținute cu ocazia efectuării testului de coliziune frontală dintre autovehicule (testul 3) sunt componentele pe direcția deplasării vehiculelor (Ox) ale:

- vitezei vehiculului VEH.1 (Lancia) – v1; - accelerației vehiculului VEH.1 - a1; - vitezei toracelui ocupantului vehiculului VEH.1– v4; - accelerației toracelui ocupantului vehiculului VEH.1 – a4. Datele experimentale, necesită o prelucrare numerică a semnalului achiziționat,

cu ajutorul filtrelor digitale, pentru eliminarea paraziților de semnal. Astfel, caracteristicile accelerației vehiculului și ocupantului obținute pe cale experimentală au fost prelucrate folosind filtre digitale specifice aplicației OriginPro.

În Figura 6.26.a. sunt prezentate comparativ caracteristicile accelerației vehiculului VEH.1 obținute pe cale experimentală respectiv prin simularea realizată cu ajutorul modelului matematic, iar în Figura 6.26Figura 6.27.b sunt caracteristicile vitezei vehiculului.

a. b.

Figura 6.27 Caracteristicile acclelerației (a.) și vitezei (b.) toracelui ocupantului obținute pe cale experimentală și prin simulare

Caracteristicile accelerației și vitezei toracelui ocupantului obținute pe cale experimentală, respectiv prin simulare cu ajutorul modelului matematic, sunt prezentate în Figura 6.27.

Din analiza caracteristicilor accelerației și vitezei vehiculului prezentate în Figura 6.26 se poate observa că rezultatul modelului matematic aproximează ca amplitudine și fază caracteristicile obținute pe cale experimentală.

De asememea, accelerația și viteza toracelui ocupantului sunt bine aproximate prin modelul matematic (Figura 6.27). Se constată o bună similitudine și corespondență între valorile obținute prin modelarea matematică a impactului frontal și valorile obținute în cadrul cercetăriii experimentale. Modelul matematic realizat aproximează bine impactul vehicul-partener de coliziune, dar necesită unele ajustări ale parametrilor specifici impactului ocupant-vehicul.

Page 72: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

72

7. CONCLUZII. CONTRIBUȚII PERSONALE. DIRECȚII VIITOARE DE CERCETARE.

7.1 Concluzii

Studiile și cercetările teoretice și experimentale întreprinse de autor, pe parcursul prezentei teze de doctorat, în vederea determinării posibilităților de stabilire dinamicii accidentelor rutiere pe baza avariilor autovehiculelor și gravității leziunilor înregistrate la ocupanți au permis formularea unor concluzii finale referitoare la tema analizată, după cum urmează:

În stadiul actual, ceretarea și reconstituirea accidentelor rutiere se realizează în mod retrospectiv pe baza datelor primare achiziționate prin ispecția la locul evenimentului, cu ocazia efecturii inspecției autovehiculelor implicate și din analiza rapoartelor medico-legale privind gradul de vătămare al persoanelor.

Deformațiile structurii constructive a autovehiculelor și vătămările suferite de ocupanții acestora ca urmare a coliziunii reprezintă date primare care pot fi utilizate în cadrul cercetării accidentelor rutiere, în special în situațiile în care datele frecvent utilizate nu sunt disponibile sau sunt de slabă calitate.

Amplitudinea deformațiilor remanente ale elementelor de caroserie reprezintă un indicator al severității coliziunii, pe de o parte și un indice de apreciere a eficienței structurii autovehiculului de absorție a energiei, pe de altă parte.

Gravitatea leziunilor suferite de ocupați, dispunerea și natura acestora oferă informații privind direcția forței principale de impact, severitatea impactului, locul ocupat de victimă în autovehicul, utilizarea sau activarea sistemelor de siguranță pasivă în momentul impactului.

Corelarea dintre amplitudinea, forma și localizarea deformațiilor autovehiculului, pe de o parte și gradul de vătămare al ocupanților, tipul și localizarea leziunilor acestora, pe de altă parte, poate confirma sau infirma rezultatele cercetării retrospective a accidentelor rutiere

Energia consumată în coliziune poate fi determinată pe baza amplitudinii deformațiilor remanente a structurii autovehiculelor.

Riscul de vătămare a ocupantului la impactul autovehiculului se impune a fi studiat în funcție de tipul impactului după direcția forței principale de impact întrucât mecanismele vătămării ocupantului sunt dependente de acesta.

Riscul de vătămare al ocupantului poate fi evaluat folosind criterii de vătămare fundamentate pe modele mecanice (ATD), care au la bază rezultatele unor teste de coliziune repetitive în care sunt măsurate accelerațiile, deplasările si solicitările care intervin asupra manechinului de test, sau criterii de vătămare bazate pe vehicul care folosesc mărimile cinematice ale autovehiculului din timpul impactului (variația vitezei - Δv, accelerații, viteze și deplasări)

Studiul impactului primar dintre autovehicul și partenerul de coliziune respectiv a impactului secundar dintre ocupant și vehicul, pe baza variației energiei cinetice a vehiculului și ocupantului permite aprecierea severității coliziunii și a eficienței sistemelor de siguranță pasivă ale autovehiculului.

Abordarea din punct de vedere energetic a procelelor complexe care au loc pe durata impactului permite o estimare mai exactă a riscului de vătămare a ocupantului.

Managementul energiei cinetice a autovehiculului și al energiei cinetice relative a ocupantului constituie direcții principale de cercetare în domeniul siguranței pasive.

Page 73: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

73

Studiile efectuate în scopul determinării unor corelații între amplitudinea deformațiilor autovehiculului și gradul de vătămare al ocupantului indică dependența directă dintre acești parametri.

Riscul de vătămare a ocupantului la impact frontal poate fi determinat pe baza energiei totale consumate în coliziune. Caracteristica riscului de vătămare determinată pe cale analitică supraevaluează riscul de vătămare comparativ cu determinările efectuate pe cale emprică.

Estimarea riscului de vătămare doar pe baza variației vitezei vehiculului nu este elocventă întrucât acest parametru caracterizează coliziunea în ansamblu, fără a lua în considerare caracterul dinamic al proceselor care au loc pe durata impactului.

Eficiența energetică a coliziunii, ca parametru de apreciere a efiecienței structurii autovehiculelor privind absorția energiei prin deformare, și factorul energiei cinetice relative a ocupantului, ca parametru de apreciere a eficacității sistemelor de reținere, sunt criteriile propuse pentru evaluarea riscului de vătămare a ocupantului alături de variația vitezei vehiculului în coliziune.

Testele de coliziune de tip vehicul-barieră fixă nedeformabilă, efectuate la viteze de impact cuprinse în intervalul 50-57 km/h indică dependența direct proporțională dintre deformația medie (Cm) și eficiența energetică a coliziunii (μ), respectiv dependența invers proporțională dintre deformația medie și factorul energiei cinetice relative a ocupantului (Ec).

Valorile superioare ale eficienței energetice a coliziunii (μ) în cazul ocupantului cu centură de siguranță comparativ cu situația ocupantului protejat de airbag, pentru aceeași deformație medie (Cm), se explică prin faptul că centura de siguranță limitează deplasarea ocupantului mai devreme decât airbagul. Din aceleași considerente, energia cinetică relativă a ocupatului (Ec) este mai mică în cazul ocupantului cu centură de siguranță decât în cazul ocupantului cu airbag, la aceeași deformație medie.

Criteriul de vătămare bazat pe accelerația maximă a toracelui, a(3ms), indică un risc de vătămare a ocupantului mai crescut în cazul activării airbagului comparativ cu situația utilizării centurii de siguranță la impact.

Cercetarea experimentală s-a efectuat în condiții bune, conform programului stabilit, iar datele achiziționate au fost utile pentru validarea modelului matematic.

In cadrul testului de coliziune nr. 3 s-a evidențiat diferența de concept constructiv a celor două autovehicule. Autoturismul Ford Escort a fost fabricat în anul 1993 făcând parte dintr-o serie de fabricație începând cu 08/1993 pâna în 02/1995. Autoturismul Lancia Kappa a fost fabricat în anul 1996, aparținând unei serii constructive începând cu 01/1995 pană în 12/2002, în care au fost deja implementate conceptele constructive noi privind siguranța pasivă a ocupanților printre care și cel privindreducerea rigidității părții frontale pentru creșterea siguranței ocupanților al impact frontal.

Page 74: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

74

7.2 Contribuții personale

Cercetările teoretice și experimentale întreprinse de autor în scopul realizării obiectivelor propuse în cadrul temei de doctorat evidențiatiază următoarele contribuții originale:

Cercetarea coliziunii autovehiculelor a fost abordată în cuprinsul tezei într-o viziune nouă bazată pe corelația dintre deformațiile autovehiculelor și vătămările ocupanțiolor.

Determinarea pe cale analitică a corelației dintre energia totală de deformare consumată în colizune și riscul de vătămare a ocupantului la impact frontal.

Studiile efectuate cu ocazia realizării tezei de doctorat au condus la propunerea utilizării parametrilor eficiența energetică a coliziunii (μ) și factorul energiei cinetice relative (Ec), alături de variația vitezei vehiculului în coliziune (Δv), drept criterii pentru estimarea riscului de vătămare a ocupantului la impact frontal.

Analiza statistică a unor seturi de date referitoare la accidente rutiere sau teste de coliziune a autovehiculelor, a permis determinarea corelațiilor dintre deformația medie a structurii vehiculului și criteriile de vătămare a(3ms) – accelerația maximă a toracelui ocupantului într-un interval de minim 3 ms și CSI – indexul de severitate al toracelui.

Cercetarea experimentală a fost realizată prin crearea unor similare cu cele în care au loc accidentele rutiere atât din punct de vedere al coloziunii autovehiculelor cât și din punct de vedere al comportamantului ocupantului la impact.

În cadrul cercetării experimentale au fost utilizate dispozitive mobile pentru măsurarea accelerațiilor, iar datele achiziționate cu ajutorul acestora au putut fi utilizate cu succes pentru determinarea parametrilor cinematici și dinamici ai autovehiculului și ocupantului.

În cuprinsul lucrării a fost propusă o tehnică nouă de măsurare a deformațiilor la autovehicule, folosind aparatură laser și un sistem de coordonate polare;

Pentru prelucrarea datelor experimentale autorul a utilizat programe de calculator, metode și tehnici actuale.

Autorul a elaborat și utilizat metode și tehnici noi pentru studiul cinematicii vehiculelor în coliziune și al cinematicii ocupantului la impact frontal, prin care au fost determinați următorii parametri specifici coliziunii autovehiculelor: deformația dinamică totală, durata impactului și punctul de impuls, precum și parametri cinematici ai ocupantului.

A fost elaborat modelul matematic pentru studiul cinematicii ocupantului la impact frontal care integrează impactul dintre vehicul și partenerul de coliziune și impactul dintre ocupant și vehicul. Modelul permite determinarea unor parametri cinematici ai ocupantului în funcție parametri impactului pimar autovehicul-partener de coliziune.

A fost elaborată relația analitică dintre valoarea energiei totale de deformare și riscul de vătămare al ocupantului la impact frontal, cu aplicabilitate în cazul coliziunii a două autoturisme din clasa medie;

În cadrul tezei de doctorat au fost făcute aprecieri cu privire la posibilitatea stabilirii cinematicii și dinamicii accidentelor rutiere pe baza amplitudinii deformațiilor înregistrate de autovehicule și a vătămărilor suferite de ocupanți.

Page 75: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

75

7.3 Direcții viitoare de cercetare

Concluziile și rezultatele obținute până în prezent, evidențiate în cadrul prezentei lucrări permit elaborarea unor noi direcții de cercetare pe această temă, precum:

- folosirea metodelor și tehnicilor utilizate la studiul impactului frontal pentru studiul impactului lateral;

- perfecționarea modelului matematic eleborat, pentru simularea impactului frontal în cazul coliziunilor oblice;

- elaborarea unei metodologii de estimare a riscului de vătămare a ocupantului pe baza parametrilor de siguranță pasivă ai autovehiculului.

7.4 Utilitatea rezultatelor cercetării în cadrul cercetării științifice și aplicative

Determinarea unei corelații între energia de deformare și gradul de vătămare al ocupanților, respectiv stabilirea dimanicii coliziunii pe baza acestor parametri poate fi utilă pentru:

- identificarea conducătorului auto în cazul accidentelor soldate cu vătămări grave sau decese prin suprapunerea tabloului lezional al ocupanților cu dinamica evenimentului și avariile autovehiculelor;

- verificarea veridicității declarațiilor persoanelor implicate în accidente rutiere atunci când avarieriile autovehiculelor sunt considerabile și nu a rezultat vătămarea persoanelor. Această situație constitiuie o problemă frecvent întâlnită în cadrul societăților de asigurare care primesc solicitări de despăgubire pentru pagube materiale (de regulă autovehicule avariate), când autovehiculele sunt grav avariate iar ocupanții acestora nu au suferit vătămări. În acest caz pot exista următoarele situații: avarierea autovehiculelor s-a produs în alte împrejurări decât cele prezentate de persoanele implicate, sau dinamica evenimentului corespunde descrierii făcute de persoanele implicate în sensul că a existat impactul între vehicule, însă acesta nu a fost regizat, în scopul obținerii de foloase materiale necuvenite;

Page 76: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

76

Bibliografie [1] Agelidis, N., Chou, C.C. Parametric Study of the Effect of Crash Pulse Shape on Dummy

Response using MADYMO. ASME Winter Annual Meeting, 1991. [2] American Association of State Highway and Transportation Officials. Manual for

Assessing Safety Hardware. 2009. [3] Andrews, D.F., Gamero, F., Limpert, R. In-Line Collisions. Engineering Equations, Imput

Data and Marc 1 Appliocations. PC-Brake, INC. www.pcbrakeinc.com, 2006. [4] Andrews, F.D., Gamero, F., Limpert, R. In-Line Collisions - Engineering Equations, Imput

Data and MARC 1 Applications. PC Brake, INC, 2006. [5] Association for the Advancement of Automotive Medicine. Abbreviated Injury Scale -

1990 Revision, Update 98. http://www.tarn.ac.uk. [6] Behring, D., Thesing, J., Becker, H., Zobel, R. Optical Coordinate Measuring Techniques

for the Determination and Visualization of 3D Displacements in Crash Investigations. SAE, 2001.

[7] Bo, P.S., Sung, J.H., Won, C.K, Si, Y.K.,. Performance analisys methodology based on crash pulse severity and vehicle occupant packaging for full frontal crash event. Korea: Hyundai motor Co & KIA Motors Corp.

[8] Boboș, B. Cercetări privind reconstituirea coliziunii autovehiculelor. Clu-Napoca: Editura Risoprint, 2008.

[9] Brach, R.M., Brach, R.M.,. Vehicle Accident Analysys and Reconstruction Methods. Pennsylnvania, USA: SAE International, 2011.

[10] Brach, R.M.,. Crush Energy and Planar Impact Mechanics for Accident Reconstruction. SAE Paper, 1998.

[11] Brend. „Test.” [12] Buzeman Jewjwes, D., Thomson, R.W., Viano, D.C. „Crash Compatibility.” Udine. [13] Buzeman Jewkers, D., Lovsund, P., Viano, D.C. Safety of a Downsized Vehicle Fleet:

Effects ofMass Distribution, Impact Speed and Inherent Protection in Car-To-Car Crashes. 1999-01-0074, Detroit, Michigan: International Congress and Exposition, 1999.

[14] C.C., Clifford. Fundamental Principles for Vehicle/Occupant Systems Analysis. http://web.iitd.ac.in.

[15] Carroll, J. Development of injury risk curves EPOCh. Berlin: http://www.biomechanics-coordination.eu, 2012.

[16] Chapman, M., Mills, D. Vehicle Crush Measurements Using High Resolution Terrestrial LIDAR. Canadian Multidisciplinary Road Safety Conference XIII, 2003.

[17] Collett, D. Modeling Binary Data . New York: Chapman & Hall, 2002. [18] Corpul Experților Tehnici din Romania. Unele aspecte ale dinamicii accidentelor rutiere

și evaluarea mijloacelor de transport auto. Brașov, 2001. [19] Cresnik, R., Rieser, A., Schluder, H.,. Dynamic Simulation of Mechatronic Systems.

Graz, Austria: 7-th European LS-DYNA Conference, 2009. [20] Cristea, D. Abordarea accidentelor rutiere. Pitești: Pitești University, 2009. [21] Cuerden, R., Hill, J., Kirk, A. The potential effectiveness of adaptive restraints. Isle of

Man: Proceedings of the IRCOBI Conference Isle of Man, 2001. [22] Digges, K.H. Injury measurements and criteria. Ohio, USA: RTO HFM Specialists’

Meeting on “Models for Aircrew Safety Assessment Uses, Limitations and Requirements”, 1998.

[23] Dong, K. H∞ Robust Control of a Seat Belt Load-limiting Device. Orlando, USA: 50th IEEE Conference on Decision and Control, European Control Conference, 2011.

[24] Duma, S.M., Crandall, J.R., Pilkey W.D., Seki, K. Aoki, T. Dymanic Response of the Hybrid III 3 Year Old Dummy Head and Neck During Side Airbag Loading. Virginia: Automobile Safety Laboratory.

[25] Eichberger, A., Wallner, D., Hirschberg, W.,. A Situation Based Method to Adapt the Vehicle Restraint System in Forntal Crashes to the Accident Scenario. Graz University of Technology, Institute of Automotive Engineering, Austria.

[26] Ejima, S., Zama, Y., Ono K. Prediction of Pre-Impact Occupant Kinematic Behavior

Page 77: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

77

Based on the Muscle Activity During Frontal Collision. Japan: Japan Automobile Research Institute.

[27] Eppinger, R., Sun, Emilly, Bandak, F., Haffner, M., Khaewpong. N., Maltese, M. Developement of Improved Injury Criteria for the Assessment of Advanvanced Automotive Restraint Systems - II. NHTSA, november 1999.

[28] Euro NCAP. Frontal Impact Testing Protocol version 5.2. http://www.euroncap.com, november 2011.

[29] Evans, L. Causal Influence of Car Mass and Size on Driver Fatality Risk. 1076–1081, Am J Public Health, 2001.

[30] Fildes, B., Fechner, L., Linder, Astrid. „Scaling Measureas and Improvement of Data Collection.” Clayton, Australia, 2005.

[31] Frampton, R.J., Brown, R., Thomas, P., Fay, P. The Importance of Non Struck Side Occupants in Side Collisions. Charlottesville, Virginia: 42-nd Annulal Precedings Association for Advancement Automotive Medicine, 1998.

[32] Gabauer, J.D. „Predicting Occupant Injury with Vehicle-Based Injury Criteria in Roadside Crashes.” Blacksburg, Virginia, 2008.

[33] Gabauer, J.D., Gabler, H.C. Comparison of Delta-V and Occupant Impact Velocity Crash Severity Metrics Using Event Data Recorders. Virginia: Center of Injury Biomechanics.

[34] Gaiginschi, R., Filip I.,. Expertiza tehnică a accidentelor rutiere. București: Editura Tehnică, 2002.

[35] GAIGINSCHI, R., FILIP I.,. Expertiza tehnică a accidentelor rutiere. București: Editura Tehnică, 2002.

[36] Gockenbach, M.S. MATLAB Tutorial to accompany Partial Differential Equations: Analytical and Numerical Methods, 2nd edition. SIAM, 2010.

[37] Groesch, L. System Strategies for Integrates Safety. Proceedings of Integrated Safety, 2008.

[38] Hans. test. [39] Hans-Wolfgang, Henn,. Crash Tests and the Head Injury Criterion. Teaching

Mathematics and its Applications Volume 17, No. 4, 1998. [40] Harizopoulos, I.,. A Study of Occupant Dynamics in Various Crash Accident Scenarios.

Massachusetts Institute of Technology, 1997. [41] Himmetoglu, S. „The influence of crash pulse shape on seat-occupant response in rear

impacts.” Ankara, 2010. [42] Huang, M.,. „Vehicle Crash Mechanics.” Boca Raton, Florida, 2002. [43] Hyung, Y. C., Sung J.S., Bumsoo L. Experimental and numerical studies of muscular

activations of bracing occupant. Korea: Hongik University. [44] IIHS. Frontal Offset Crashworthiness Evaluation. Guidelines for Rating Injury Measures.

Arlington, Virginia: Insurance Institute for Highway Safety, Iunie 2009. [45] IRCOBI. Future Research Directions in Injury Biomechanics and Passive Safety. Bron,

Franța: International Research Council on the Biomechanics of Impact, Mai 2006. [46] Johnson, N., Hampton, C., Gabler, H. C. Evaluation of the Accuracuy of Side Impact

Crash Test Reconstructions. Biomedical science instrumentation, 2009. [47] Kerkhoff, J.F., Husher, S.E., Varat, M.S., Busenga A.M., Hamilton, K. An Investigations

into Vehicle Frontal Impact Stiffness, BEV and Repeated Testing for Reconstruction. Accident Reconstruction Newsletter, September 2010.

[48] Khoury, J. Traffic Characterization and Road Cathegorization. Massachusetts: Institute of Technology, June 2010.

[49] Khoury, J. Traffic Characterization and Road Cathegorization. Massachusetts: Institute of Technology, June 2010.

[50] King, A.i. Toterance of the Neck to Direct Impact. Detrioit, Michigan: Wayne State University, 1979.

[51] Kleinberger, M., Sun, E., Eppinger, R., Saul, R.. Kuppa, S. Development of Improved Injury Criteria for the Assessment of Advanced Automotive Restraint Systems. NHTSA, 1998.

[52] Klooster, S.J., Singhose, W.E.,. A Study of Passenger Seat Parameters as a Basis for Active Safety Seat Control. Atlanta, Georgia, USA: Georgia Institute of Technology.

Page 78: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

78

[53] Kullgren, A., Krafft, M., Nygren, A., Tingvall, C. Neck injuries in frontal impacts: Influence of crash pulse characteristics on injury risk. Accident Analysis and Prevention, vol. 32, pp. 197–205, 2000.

[54] LI, Z., Zhang, J., Ma, C. Developement of an occupant restraint system model and parametric study on equivqlent crash pulse in vehicle frontal offset. Journal of Beijing Institute Technology, 2012.

[55] Lipovac, K., Vujanic, M., Nesic, M. Crush vs Energy Relationship for Yugo GV - Case Study. Belgrade: University of Belgrade.

[56] Lopez-Valdez, F. J. & co. Analysis of spinal motion and loads during frontal impacts. Comparation between PMHS and ATD.

[57] Lu, D., Riley, J., Schleicher, G., Jurosek, M. An Investigation of Occupant Energy Management by I/P Structures During Vehicle Frontal Crash. AMD-Vol. 210/BED-Vol. 30, Crashworthiness and OccupantProtection in Transportation Systems, ASME, 1995.

[58] Luca, D., Stan Cristina. „Mecanică clasică.” Iasi, 2007. [59] M.S., Gockenbach. MATLAB Tutorial to accompany Partial Differential Equations:

Analytical and Numerical Methods, 2nd edition. SIAM, 2010. [60] Manoogian, S.J. & co. A Literature Review of Musculoskeletal Injuries to the Hunam

Neck and the Effects of Head-Supported Mass Worn by Soldiers. Blacksburg: Center for Injury Biomechanics, 2005.

[61] McIntosh, A., Kallieris, D., Mattern, R., and Miltner, E. Head and Neck Injury Resulting from Low Velocity Direct Impact. San Antonio, California: Stapp Car Crash Conference, 1993.

[62] Mostafa, K., Digges, K., Motevalli, V.,. Evaluating Frontal Crash Test Force-Deformation data for Vehicle to Vehicle Crash Compatibility. Detroit, Michigan: SAE 2008 World Congress, April 2008.

[63] National Highway and Traffic Safety. Research and Development Database. http://www-nrd.nhtsa.dot.gov, 2008.

[64] NHTSA. An Evaluation of Side Impact Protection. National Highway Traffic Safety Administration, 2007.

[65] Nordhoff, L.S. Motor Vehicle Collision Injuries: Biomechanics, Diagnostics and Management. Jones & Bartlett Publisher, 2005.

[66] North Atlantic Treaty Organization. Injury Criteria and Tolerance Levels. http://ftp.rta.nato.int/public.

[67] O’Reilly, P. Status report of IHRA Compatibility and Frontal Impact Working Group. http://www-nrd.nhtsa.dot.gov.

[68] Pipkorn, B., Mellander, H., Haland, Y. Car Dirver Protection at Frontal Impacts up to 80 km/h. Sweden: Autoliv Reserarch.

[69] Popa, V. Studiul riscului de vătămare a ocupanților în cazul coliziunii laterale de tip vehicul-vehicul pe baza deformațiilor autovehiculului. Brașov: CONAT 2010, 2010.

[70] Popa, V., Beleș, H. Cercetări privind influența deformațiilor autovehiculului asupra riscului de vătămare a ocupanților la impact frontal. Timișoara: MVT2012, 2012.

[71] Popa, V., Beleș, H. Deformațiile Vehiculului și Delta-V în Stadiul Coliziunii. București: ESFA, 2009.

[72] Popa, V., Beles, H.,. Studiul comportamentului ocupantului în faza de antecoliziune. Pitești: CAR2011, 2011.

[73] Popa, V., Beles, H.,. Studiul structurii adaptive a autovehiculelor pentru coliziuni frontale. Oradea: IMT Oradea, 2012.

[74] Popa, V., Trușcă, D.D. Studiul cinematicii autovehiculului și ocupantului în faza coliziunii . Timișoara: MVT2012, 2012.

[75] Randles, B., Jones, B., Elliott, D., McAdams, C. The Accuracy of Photogrammetry vs. Hands-on Measurement Techniques used in Accident Reconstruction. SAE, 2010.

[76] Richards, D., Cuerden R. The Relationship between Speed and Car Driver Injury Severity. London: Department for Transport, 2009.

[77] Schjelbanova Zuzana, Kvasova Alzbeta,Micunek, T., Marek, Z. Simulatioa of a Collision between Passenger Car and Child Pedestrian. Promet – Traffic&Transportation, Vol. 24, 2012, 2011.

Page 79: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

79

[78] Seitz, N., Togănel, G., Trușcă, D. „Evaluarea sigurantei pasive prin indici biomecanici.” București, 2008.

[79] Shanahan, D.F. Human Tolerance and Crash Survivability. Carlsbad, USA: Injury Analysis, LLC, 2004.

[80] Shojaati, M. Correlation between injury risk and impact severity index ASI. 3rd Swiss Transport Research Conference, 2003.

[81] Sibian, D., Boboș, B., Dima, D. „Validarea metodelor de deconstituire computerizată a coliziunii autovehiculelor și evaluarea incertitudinii de măsurare.” Ingineria Automobilului, noiembrie 2009.

[82] Siegel, J.H., Smith, J. A., Siddiqi, S. Q., Ross, R., McCammon L. Impact Energy-Delta V Relations and Their Injury Consequences in Sedan v Sedan Compared to Sedan v SUV MVCs . CIREN Network, 2003.

[83] Van Kirk, D. J.,. Vehicular Accident Investigation and Reconstruction. Florida, SUA, 2001.

[84] Viano, D.C., King, A.I. Biomechanics of chest and abdomen impact. The Biomedical Enigineering Handbook: Second Edition, 2000.

[85] Wallner, D., Eichberger, A., Hirschberg, W. Novel Control Algorithm for Integration of Active and Passive vehicle Safety Systems in Frontal Collisions. Graz: 2-nd International Multi-Conference on Engineering and Technological Innovation, In Press, 2009.

[86] Woolley, R.L., Asay A.F., Buzeman Jewkes, D. Crash Testing with a Massive Moving Barrier as an Accident Reconstruction Tool. 2000-01-0604, Detroit, Michigan: SAE 2000 World Congress, 2000.

[87] Workgroup data Processing Vehicle Safety. „Crash Analysys.Criteria Descrition.Version 2.1.1.” May 2008.

[88] Yannaccone, J.R., Whitman, G. R., Sicher, L. Pretensioners and Injury Risk. Salt Lake City, USA: Proceedings of the Forty Third Annual SAFE Association Symposium, 2005.

[89] Zarei, H. Experimental and numerical investigation of crash structures using aluminium alloys. Gottingen: Cuvillier Verlag, 2008.

[90] Zhang X., Vu-Quoc, L. Modeling the dependence of the coefficient of restitution on the impact velocity in elasto-plastic collisions. International Journal of Impact Engineering 27, 2002.

[91] www.aaam.org. (accesat iulie 8, 2012). [92] www.asvar.ro. (accesat noiembrie 5, 2012). [93] www.autotehnic.wordpress.com. (accesat august 10, 2012). [94] www.epp.eurostat.ec.europa.eu. (accesat octombrie 21, 2012). [95] www.humaneticsatd.com. (accesat iulie 25, 2012). [96] www.injuryresources.com. (accesat iunie 8, 2012). [97] www.ro.wikipedia.ro. (accesat feb. 24, 2012). [98] www.siguranta.ro. (accesat august 12, 2012). [99] www.tass-safe.com. (accesat aprilie 21, 2012). [100] www.tno.nl. (accesat decembrie 5, 2011). [101] www.whiplashforeningen.dk.

Page 80: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

80

REZUMAT Cercetarea dinamicii accidentelor rutiere se bazează în prezent pe metode şi

tenhici care folosesc, în principal, simularea computerizată a proceselor care au loc în timpul producerii acestor evenimente.

În acest sens, teza de doctorat: “Stabilirea dinamicii accidentelor rutiere în funcţie de mărimea avariilor şi gravitatea leziunilor înregistrate la ocupanţii autovehiculelor” îşi propune să găsească acele corelaţii, între amplitudinea avariilor autovehiculeor şi gravitatea vătămărilor înregistrate de ocupanţii acestora, care pot contribui la stabilirea dinamicii accidentelor rutiere.

În cuprinsul lucrării au fost abordate aspecte privind cinematica autovehiculelor şi deformarea structurii acestora la impact, precum şi aspecte privind cinematica ocupantului şi mecanismele de producere a vătămărilor. Folosind bazele de date disponibile, o serie de date din accidente rutiere şi din teste de coliziune au fost selectate şi prelucrate, stabilindu-se corelaţii între deformaţiile autovehiculelor şi riscul de vătămare al ocupanţilor la impact frontal, pe baza energiei de deformare.

Întrucât gravitatea vătămărilor suferite de ocupanţi şi mecanismele de producere a acestor vătămări sunt influenţate în mod direct de pulsul coliziunii, s-a realizat un model matematic integrat care include impactul frontal dintre două autovehicule şi impactul ocupant-autovehicul, în scopul estimării riscului de vătămare a ocupantului pe baza parametrilor cinematici.

Pentru validarea modelului matematic s-au folosit datele experimentale achiziţionate cu ocazia efectuării unor teste de coliziune de tip vehicu-vehicul, cu ocupant uman, în condiţiile reale ale unui accident rutier.

Rezultatele cercetării efectuate au rolul de a contribui la reconstituirea unor evenimente rutiere în situaţiile în care datele frecvent utilizate pentru reconstituire nu sunt disponibile.

ABSTRACT

Researches of road traffic accident dynamics are currently based on methods and techniques that mainly use computer simulation of the processes happening during such events.

From that perspective, the PhD thesis “Assessing Accident Dynamics according to Car Damage and Motor Vehicle-Occupant Injury” intends to find such correlations between the extent of car damage and the injury severity score of car’s occupants, which can contribute to assessing the dynamics of road traffic accidents.

Issues related to motor vehicle crash kinematics and the deformation of car structure in impacts, as well as aspects of occupant kinematics and mechanisms of injury have been approached within this work. Car crash data and collision tests data has been selected and processed from the available databases and correlations were established between car deformation and the risk of occupant injury in frontal impacts based upon crush energy.

As injury severity of car occupants and the mechanisms of such injury are directly influenced by the collision pulse, a mathematical model has been made that included the front impact between two vehicles and the impact between a vehicle occupant and the vehicle, in order to assess the occupant injury risk based on kinematic parameters.

In order to validate the mathematical model experimental data has been used as resulting from car to car crash tests with a human occupant, in simulation of real crashes.

The results of the research are meant to contribute to the reconstruction of road traffic events in spaces where data that are frequently used for reconstructions is not available.

Page 81: Universitatea Transilvania din Brașov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate/PopaVirgil.pdf · cercetare a cinematicii ocupantului la impact și criteriile

81

CURRICULUM VITAE

Date personale:

Nume:

Data nașterii:

Locul nașterii:

Starea civilă:

Telefon:

Email:

Virgil POPA

19 noiembrie 1969

Câmpeni, Alba

căsătorit

0744.489.019

[email protected]

Educație și formare profesională:

2002-2012

Doctorand la Facultatea de Inginerie Mecanică, Univeritatea Transilvania din Brașov

1995-1996 Studii Masterat Facultatea de Mecanică Univeritatea Transilvania din Brașov Specializarea Robotică

1990-1995 Facultatea de Mecanică Univeritatea Transilvania din Brașov Specializarea Autovehicule Rutiere

1984-1988 Liceul Industrial Cîmpia-Turzii, Jud. Cluj Specializarea Electrotehnică

Activitate științifică: 8 lucrări publicate (6 prim autor) Limbi străine cunoscute: engleză, franceză


Recommended