自動車の安全性を高める人体モデルHansの紹介

これまで長い間、自動車メーカーは、車両を壁に衝突させて、試験用ダミー人形がほぼ無傷である状態を見せる広告などを通じて、ユーザーに車両の安全性を強調してきました。近年、多くの自動車メーカーと消費者が電動化と自動運転に関心を寄せていますが、自動車において、最も重要なのは乗客と歩行者の安全です。

実機試験の衝突用ダミー人形とそのデジタル版のダミー人形は、今後も引き続き利用されますが、多くの自動車メーカーは人体モデルの採用を開始しています。ますます高度化する安全システムと新しい適用分野では、現在市場にあるものよりも忠実度の高いモデルが必要となっています。さらに、世界中の安全認証機関のうち、複数の機関では、認定された人体モデルを用いて仮想製品認証を確立するためのイニシアチブを進めています。こうした状況下で、非線形構造ダイナミクスシミュレーションソフトウェアであるAnsys LS-DYNA用のAnsys Hans Human Body Modelが大いに役立っています。

高性能な試験用ダミー人形

衝突試験用ダミー人形は、1940年代後半に米国空軍がパイロットの拘束装置や射出装置をテストするために初めて採用され、それ以降、輸送機関の安全性の向上に大きく貢献してきました。空軍の安全試験では、当初は実際に人が搭乗して検証されていました。その後、試験条件が非常に厳しくなったため、代わりに試験用ダミー人形が採用されるようになりました。各自動車メーカーは、こうした空軍での採用とその成果を見て、独自のダミー人形の開発を始めました。

試験用ダミー人形は、各メーカーのニーズに合わせてさまざまなバージョンが開発されましたが、1997年に、GM社のHybrid IIIダミーが前面衝突およびエアバッグの安全性試験の業界標準となりました。どのバージョンの試験用ダミー人形も、平均的な成人男性の身長、体重、人体比率を用いて、できる限り人体を模するように設計されていましたが、その中でもHybrid IIIは最も優れたダミー人形でした。Hybrid IIIには、加速度計、電位差計、ロードセルが搭載されているため、自動車メーカーは車両衝突時に人体が受ける加速度、たわみ、力を測定できます。

しかし、テクノロジーが進歩するにつれて、研究者はより多くのデータを取得し、人体についてより深く理解できるようになり、その新しい知識を反映して自動車の安全要件も厳しくなりました。こうした背景から、WorldSIDやThorなどの改良された新しい衝突試験ダミー人形が登場しました。さらに、最新の衝突試験では、仮想人体モデルも導入されています。

Ansys Hans Human Body Modelとは

Hansは、従来の試験用ダミー人形よりも正確に人体を表現した忠実度の高い人体モデルです。自動車の衝突からスポーツによる怪我まで、あらゆるタイプの陽解法衝突シミュレーションのためのパッシブモデルです。Hansの最初のリリースは、筋骨格系を中心に開発されました。今後のリリースでは、臓器、脂肪組織、関節および筋肉の動きが微調整される予定です。Hansは、30～40歳の男性平均に基づいて、身長176cm（5フィート9インチ）、体重約77kg（170ポンド）に設計されています。モデルは、5つの層で構成されています。

1. 骨格: 皮質骨と小柱骨を含む
2. 結合組織: 靭帯、関節包、軟骨を含む
3. 筋肉および腱: すべて個々のパーツとしてモデル化
4. 内臓および脳: すべて個別に離散化
5. 脂肪組織および皮膚: 脂肪組織、真皮、表皮を含む

実機による衝突試験は非常に高価であり、メーカーはダミー人形の外見への変化は確認できますが、内部への影響に関しては限られた知識しか得られません。AnsysのアプリケーションエンジニアリングシニアマネージャーであるAlexander Gromerは次のように述べています。「Ansys Hans Human Body Modelを仮想衝突シミュレーションで使用できるようになりました。Hansを用いることで、骨、筋肉、組織のそれぞれにどんな影響が生じるかを確認できます。」

頭部への影響

身体全体の負傷を考慮することはもちろん重要ですが、脳への強い衝撃には特に注意を払う必要があります。骨折は治癒しますが、脳損傷は長期的に影響を及ぼします。特にスポーツなどによって繰り返し損傷を受けると、有害な影響を及ぼすことになります。衝突時に頭蓋骨の中で脳がどのように動くかをモデル化することで、自動車メーカーは軽度の追突が単純な頭痛やそれ以上に深刻な症状を引き起こすことがあるかを確認できるようになります。

HansのアプリケーションエンジニアであるSkylar Sibleは次のように述べています。「人の頭部を卵に例えると、頭蓋骨は卵殻、脳は卵黄、そして脳脊髄液は卵白です。脳脊髄液をより適切にモデル化する上で、頭蓋骨に対して脳がどの程度動くかを確認するために、脳内の12のポイントを追跡しています。」

Hansの脳モデル（左）と、非線形構造ダイナミクスシミュレーションソフトウェアであるAnsys LS-DYNAでの脳の衝撃シミュレーション（右）

安全第一

Gromerは次のように述べています。「Hansの目標は、あらゆる安全分野で必要となるものをすべて提供することです。自動車の衝突事故に巻き込まれた乗客や、歩行者の安全分析など、あらゆる事象が対象となります。」

デジタルモデルを使用することで、自動車メーカーは実機を用いた車両衝突試験の回数を削減でき、時間とコストを節約できます。エンジニアは、車両の全部品のプロトタイプを作製することなく、衝突時に何が起こるかを仮想的に確認し、微調整して、試験を再度実行できます。これらのデータを活用することで、自動車メーカーは、今後もより安全で優れた、より効率的な車両を開発できるようになります。Gromerは次のように述べています。「こうしたシミュレーションがなければ、2030年までに高い安全評価を獲得することはできないと思います。」

Hansの活用分野は、もちろん自動車だけではありません。Hansの開発チームは、今後は防衛、スポーツ、ヘルスケア分野での荷重ケースにも対応できるように機能を改善していく予定です。

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LS-DYNA用のHans Human Body Modelがシミュレーションニーズにどのように対処するかをご確認ください。