Подробная история манекенов для краш-теста

Первым манекеном для краш-теста была Sierra Sam, созданная в 1949 году. Этот манекен для 95-го процентиля для взрослых мужчин был разработан компанией Sierra Engineering Co. по контракту с ВВС США, которые будут использоваться для оценки места выброса самолета на салазках ракеты тесты. - Источник ФТСС

В 1997 году манекены GM Hybrid III официально стали отраслевым стандартом испытаний на соответствие государственным нормам лобового удара и воздушная подушка безопасность. GM разработал это тестовое устройство почти за 20 лет до 1977 года, чтобы предоставить биофиделический измерительный инструмент - манекены для краш-тестов, которые ведут себя очень похоже на людей. Как и ранее, Hybrid II, GM поделился этой передовой технологией с государственными регуляторами и автомобильная промышленность. Совместное использование этого инструмента было сделано во имя улучшенного тестирования безопасности и снижения травматизма на дорогах и смертельных случаев во всем мире. Версия Hybrid III 1997 года - это изобретение GM с некоторыми модификациями. Это знаменует собой еще одну веху в первопроходческом пути автопроизводителя для обеспечения безопасности. Hybrid III является современным для тестирования передовых удерживающих систем; GM уже много лет использует его для разработки подушек безопасности с фронтальным ударом. Он предоставляет широкий спектр надежных данных, которые могут быть связаны с последствиями аварий на человеческих травмах.

Гибрид III показывает положение человека, как водители и пассажиры сидят в транспортных средствах. Все манекены для краш-теста соответствуют человеческой форме, которую они имитируют - по общему весу, размерам и пропорциям. Их головы спроектированы так, чтобы реагировать как человеческая голова в аварийной ситуации. Он симметричен, и лоб сильно отклоняет то, как если бы его ударили в столкновение. Полость грудной клетки имеет стальную грудную клетку, которая имитирует механическое поведение грудной клетки человека при аварии. Резиновая шейка биофиделически изгибается и растягивается, а колени также сконструированы таким образом, чтобы реагировать на удары, аналогично коленям человека. Манекен для испытания на удар Hybrid III имеет винил кожи и оснащен сложными электронными инструментами, включая акселерометры, потенциометры и датчики нагрузки. Эти инструменты измеряют ускорение, отклонение и силы, которые испытывают различные части тела во время торможения при столкновении.

Это передовое устройство постоянно совершенствуется и было построено на научном фундаменте биомеханики, медицинских данных и входных данных, а также испытаний, в которых участвовали трупы людей и животных. Биомеханика - это изучение человеческого организма и его механического поведения. Университеты провели ранние биомеханические исследования с использованием живых людей-добровольцев в некоторых очень контролируемых краш-тестах. Исторически, автомобильная промышленность оценивала системы сдерживания, используя добровольное тестирование на людях.

Разработка Hybrid III послужила стартовой площадкой для дальнейшего изучения сил столкновения и их влияния на травму человека. Все более ранние манекены для краш-тестов, даже GM Hybrid I и II, не могли обеспечить адекватную информацию для преобразования данных испытаний в конструкции, уменьшающие травмы для легковых и грузовых автомобилей. Ранние манекены для краш-теста были очень грубыми и имели простую цель - помочь инженеры и исследователи проверяют эффективность удерживающих устройств или ремней безопасности. До того, как GM разработал Hybrid I в 1968 году, производители манекенов не имели последовательных методов производства устройств. Основной вес и размер частей тела были основаны на антропологических исследованиях, но манекены были непоследовательны от единицы к единице. Наука об антропоморфных манекенах находилась в зачаточном состоянии, и качество их производства варьировалось.

В 1960-х годах исследователи GM создали Hybrid I, объединив лучшие части двух примитивных манекенов. В 1966 году исследовательские лаборатории Alderson выпустили серию VIP-50 для GM и Ford. Он также использовался Национальным бюро стандартов. Это был первый манекен, изготовленный специально для автомобильной промышленности. Год спустя Sierra Engineering представила конкурентоспособную модель Sierra Stan. Ни один из них не удовлетворил инженеров GM, которые сделали свой собственный манекен, объединив в себе лучшие качества обоих - отсюда и название Hybrid I. GM использовала эту модель внутри компании, но поделилась своим дизайном с конкурентами на специальных заседаниях комитета Общества инженеров автомобильной промышленности (SAE). Гибрид I оказался более долговечным и дал более воспроизводимые результаты, чем его предшественники.

Использование этих ранних манекенов было инициировано испытаниями ВВС США, которые проводились с целью разработки и совершенствования систем удержания и выброса пилотов. С конца 40-х до начала 50-х годов военные использовали манекены для краш-тестов и салазки для краш-тестов, чтобы проверить различные применения и устойчивость человека к травмам. Ранее они использовали добровольцев-людей, но повышение стандартов безопасности требовало более быстрых испытаний, а более высокие скорости были уже не безопасны для людей. Чтобы испытать ремни безопасности пилота, один высокоскоростной салазок двигался с помощью ракетных двигателей и разгонялся до 600 миль в час. Полковник Джон Пол Стэпп поделился результатами исследования манекена ВВС в 1956 году на первой ежегодной конференции с участием производителей автомобилей.

Позже, в 1962 году, GM Proving Ground представил первые автомобильные ударные сани (сани HY-GE). Он был способен имитировать фактические формы волны ускорения столкновения, производимые полномасштабными автомобилями. Через четыре года после этого компания GM Research разработала универсальный метод определения степени опасности получения травмы при измерении сил воздействия на антропоморфные манекены во время лабораторных испытаний.

По иронии судьбы, автопром значительно опередил самолет производители в этой технической экспертизе на протяжении многих лет. Автопроизводители работали с авиационной промышленностью в середине 1990-х годов, чтобы довести их до совершенства благодаря достижениям в области краш-тестов, связанных с человеческой терпимостью и травмами. Страны НАТО были особенно заинтересованы в исследовании автомобильных аварий, потому что были проблемы в вертолет аварии и при скоростных выбросах пилотов. Считалось, что автоматические данные могут помочь сделать самолет более безопасным.

Когда Конгресс принял Национальный закон о безопасности дорожного движения и транспортных средств 1966 года, разработка и производство автомобилей стали регулируемой отраслью. Вскоре после этого между правительством и некоторыми производителями начались дебаты о достоверности тестовых устройств, таких как манекены.

Национальное Бюро Безопасности Шоссе настаивало, чтобы манекен Олдерсона VIP-50 использовался, чтобы утвердить удерживающие системы. Им потребовалось 30 миль в час в лобовом, барьерные испытания в жесткой стене. Оппоненты утверждали, что результаты исследований, полученные в результате испытаний с использованием этого манекена для краш-теста, не были повторяемыми с точки зрения производства и не были определены в технических терминах. Исследователи не могли рассчитывать на последовательную работу тестовых блоков. Федеральные суды согласились с этими критиками. GM не принимал участия в юридическом протесте. Вместо этого GM усовершенствовал манекен для краш-теста Hybrid I, реагируя на проблемы, возникающие на заседаниях комитетов SAE. GM разработал чертежи, которые определили манекен для краш-теста и создали калибровочные тесты, которые стандартизировали бы его характеристики в контролируемых лабораторных условиях. В 1972 году GM передал чертежи и калибровки манекенщикам и правительству. Новый манекен GM Hybrid II для краш-теста удовлетворил суд, правительство и производителей, и это стал стандартом лобового краш-тестирования для соответствия автомобильным правилам США по ограничению системы. Философия GM всегда заключалась в том, чтобы делиться инновациями в краш-тестах с конкурентами и не зарабатывать в процессе.

В 1972 году, когда GM делился Hybrid II с промышленностью, эксперты GM Research начали новаторские разработки. Их задачей было разработать манекен для краш-теста, который бы более точно отражал биомеханику человеческого тела во время автокатастрофы. Это будет называться Hybrid III. Почему это было необходимо? GM уже проводила испытания, которые намного превышали государственные требования и стандарты других отечественных производителей. С самого начала GM разработала каждый из своих манекенов, чтобы удовлетворить конкретную потребность в тестовых измерениях и улучшенной конструкции безопасности. Инженеры требовали испытательного устройства, которое позволило бы им проводить измерения в уникальных экспериментах, которые они разработали для повышения безопасности транспортных средств GM. Целью исследовательской группы Hybrid III было разработать манекен для краш-теста третьего поколения, чьи ответы были ближе к биомеханическим данным, чем манекен для краш-теста Hybrid II. Стоимость не была проблемой.

Исследователи изучили, как люди сидят в транспортных средствах и как они занимают свое положение и положение глаз. Они экспериментировали и изменяли материалы, чтобы сделать манекен, и рассматривали возможность добавления внутренних элементов, таких как грудная клетка. Жесткость материалов отражена биомеханическими данными. Точное числовое контрольное оборудование использовалось для последовательного изготовления улучшенного манекена.

В 1973 году GM провел первый международный семинар с ведущими мировыми экспертами для обсуждения характеристик реагирования на воздействие человека. Каждая предыдущая встреча такого рода была посвящена травмам. Но теперь GM хотел выяснить, как люди реагировали на аварии. С этим пониманием GM разработал манекен, который вел себя гораздо ближе к людям. Этот инструмент предоставил более значимые лабораторные данные, позволяющие вносить изменения в конструкцию, которые могли бы реально помочь предотвратить травмы. GM является лидером в разработке технологий тестирования, чтобы помочь производителям сделать более безопасные легковые и грузовые автомобили. GM также связывался с комитетом SAE на протяжении всего этого процесса разработки, чтобы собрать информацию как от манекенов, так и от автопроизводителей. Только через год после начала исследований Hybrid III GM отреагировал на правительственный контракт более утонченным манекеном. В 1973 году GM создал GM 502, который заимствовал раннюю информацию, которую изучила исследовательская группа. Он включал некоторые постуральные улучшения, новую голову и улучшенные характеристики суставов. В 1977 году GM сделал коммерчески доступным Hybrid III, включая все новые конструктивные особенности, которые GM исследовал и разработал.

В 1983 году GM обратился в Национальное управление безопасности дорожного движения (NHTSA) с просьбой разрешить использовать Hybrid III в качестве альтернативного испытательного устройства для соответствия требованиям правительства. GM также предоставила отрасли свои цели для приемлемых манекенов во время испытаний на безопасность. Эти цели (эталонные значения оценки травматизма) имели решающее значение при преобразовании данных Hybrid III в повышение безопасности. Затем в 1990 году GM попросил, чтобы манекен Hybrid III был единственным приемлемым испытательным устройством, отвечающим государственным требованиям. Год спустя Международная организация по стандартизации (ISO) приняла единогласную резолюцию, признающую превосходство Hybrid III. Гибрид III теперь является стандартом для международных испытаний на лобовое столкновение.

За прошедшие годы Hybrid III и другие манекены претерпели ряд улучшений и изменений. Например, GM разработал деформируемую вставку, которая обычно используется в тестах разработки GM, чтобы указать любое движение поясного ремня от таза и в брюшную полость. Кроме того, SAE объединяет таланты автомобильных компаний, поставщиков запчастей, изготовителей манекенов и государственных учреждений США в совместных усилиях по расширению возможностей испытательных манекенов. Недавний проект SAE 1966 года, совместно с NHTSA, улучшил лодыжку и тазобедренный сустав. Тем не менее, фиктивные производители очень консервативны в отношении изменения или улучшения стандартных устройств. Как правило, производитель автомобилей должен сначала показать необходимость конкретной оценки дизайна для повышения безопасности. Затем, с отраслевым соглашением, могут быть добавлены новые возможности измерения. SAE выступает в качестве технического центра обмена информацией для управления и минимизации этих изменений.

Насколько точны эти антропоморфные тестовые устройства? В лучшем случае они являются предикторами того, что может происходить в целом на местах, потому что нет двух настоящих людей одинакового размера, веса или пропорций. Однако тесты требуют стандарта, и современные манекены доказали свою эффективность в качестве прогностических факторов. Манекены для краш-тестов постоянно доказывают, что стандартные трехточечные системы ремней безопасности являются очень эффективными ограничителями - и данные хорошо держатся по сравнению с реальными авариями. Ремни безопасности снижают смертность в результате ДТП на 42%. Добавление подушек безопасности повышает защиту примерно до 47 процентов.

Проверка подушек безопасности в конце семидесятых годов породила еще одну потребность. Основываясь на тестах с грубыми манекенами, инженеры GM знали, что дети и мелкие пассажиры могут быть уязвимы для агрессивности подушек безопасности. Подушки безопасности должны надуваться на очень высоких скоростях, чтобы защитить пассажиров при аварии - буквально за мгновение ока. В 1977 году GM разработала манекен для детской подушки безопасности. Исследователи калибровали манекен, используя данные, собранные в ходе исследования с участием мелких животных. Юго-западный научно-исследовательский институт провел это тестирование, чтобы определить, какое воздействие субъекты могли безопасно выдержать. Позже GM поделился данными и дизайном через SAE.

GM также требовалось испытательное устройство для моделирования маленькой женщины для проверки подушек безопасности водителя. В 1987 году GM передал технологию Hybrid III манекену, представляющему женщину 5-го процентиля. Также в конце 1980-х Центр контроля заболеваний подписал контракт на семейство манекенов Hybrid III, чтобы помочь в тестировании пассивных ограничений. Университет штата Огайо выиграл контракт и обратился за помощью к GM. В сотрудничестве с комитетом SAE GM внес вклад в развитие семейства манекенов Hybrid III, который включал в себя мальчика 95-го процентиля, маленькую женщину, шестилетнего ребенка, манекена и новый три-летний. У каждого есть технология Hybrid III.

В 1996 году GM, Chrysler и Ford стали беспокоиться о травмах, вызванных надуванием подушки безопасности, и обратились в правительство через Американскую ассоциацию автопроизводителей (AAMA) для решения проблемы пассажиров, находящихся в нерабочем положении во время подушки безопасности развертывания. Цель состояла в том, чтобы внедрить процедуры испытаний, одобренные ИСО, в которых используются маленькие женские манекены для тестирование на стороне водителя и манекены для детей от 6 до 3 лет, а также манекен для пассажира сторона. Комитет SAE позже разработал серию манекенов для детей с одним из ведущих производителей испытательных устройств, First Technology Safety Systems. Шестимесячные, 12-месячные и 18-месячные манекены теперь доступны для проверки взаимодействия подушек безопасности с детскими удерживающими устройствами. Известные как манекены CRABI или детские подушки безопасности для взаимодействия с подушками безопасности, они позволяют испытывать детские удерживающие устройства, обращенные назад, когда они размещены на переднем пассажирском сиденье, оборудованном подушкой безопасности. Различные фиктивные размеры и типы, которые бывают небольших, средних и очень больших размеров, позволяют GM реализовывать обширную матрицу тестов и аварийных типов. Большинство из этих тестов и оценок не являются обязательными, но GM регулярно проводит тесты, которые не требуются по закону. В 1970-х годах для изучения бокового удара потребовалась еще одна версия испытательных устройств. НАБДД совместно с Центром исследований и разработок Мичиганского университета разработали специальный манекен против бокового удара, или SID. Европейцы тогда создали более сложный EuroSID. Впоследствии, исследователи GM внесли значительный вклад через SAE в разработку более биофиделического устройства под названием BioSID, которое в настоящее время используется при испытаниях разработки.

В 1990-х годах автомобильная промышленность США работала над созданием специального маленького манекена для пассажиров, предназначенного для испытания подушек безопасности при боковом ударе. Через USCAR был создан консорциум для обмена технологиями между различными отраслями промышленности и государственными ведомствами. GM, Chrysler и Ford совместно разработали SID-2. Манекен имитирует маленьких самок или подростков и помогает измерить их устойчивость к надуванию подушек безопасности при боковом ударе. Производители США работают с международным сообществом над созданием этого меньшего устройства с боковым ударом исходная основа для манекена для взрослых, который будет использоваться в международном стандарте для определения боковых ударов измерение. Они способствуют принятию международных стандартов безопасности и формируют консенсус по согласованию методов и испытаний. Автомобильная индустрия привержена гармонизации стандартов, испытаний и методов, так как все больше и больше автомобилей продается на мировом рынке.

Какое будущее? Математические модели GM предоставляют ценные данные. Математическое тестирование также позволяет проводить больше итераций за более короткое время. Переход GM с механических на электронные датчики подушек безопасности создал потрясающую возможность. Настоящие и будущие системы подушек безопасности оснащены электронными «регистраторами полетов» в составе датчиков столкновения. Компьютерная память будет захватывать полевые данные из события столкновения и хранить информацию о сбое, ранее недоступную. С помощью этих реальных данных исследователи смогут проверять лабораторные результаты и модифицировать манекены, компьютерное моделирование и другие тесты.

«Шоссе становится испытательной лабораторией, и каждая авария становится способом узнать больше о том, как защитить людей», - сказал Гарольд «Bud» Мерц, бывший эксперт по безопасности и биомеханике GM. «В конце концов, можно было бы включить аварийные регистраторы для столкновений по всему автомобилю».

Исследователи GM постоянно совершенствуют все аспекты краш-тестов, чтобы улучшить результаты безопасности. Например, поскольку удерживающие системы помогают устранить все больше и больше катастрофических травм верхней части тела, инженеры по безопасности отмечают инвалидность, травму нижней части ноги. Исследователи ГМ начинают разрабатывать лучшие реакции голеней для манекенов. Они также добавили «кожу» к шеям, чтобы подушки безопасности не мешали шейным позвонкам во время испытаний.

Когда-нибудь экранные компьютерные «манекены» могут быть заменены виртуальными людьми с сердцами, легкими и всеми другими жизненно важными органами. Но вряд ли эти электронные сценарии заменят реальные в ближайшем будущем. Манекены для автокатастроф в течение многих лет будут и впредь предоставлять исследователям GM и другим специалистам замечательную информацию и информацию о защите пассажиров от аварий.

Особая благодарность Клаудио Паолини