NASCAR、人体モデルとシミュレーションを使用して負傷リスクを低減

自動車レースには危険が伴います。しかし、シミュレーション環境での仮想モデリングを導入したことで、ドライバーが重傷を負うリスクが軽減しました。

NASCARのドライバーは、世界でトップクラスの運転技術を誇ります。それでも、時速200マイルでレーシングカーを操縦すれば、衝突も起こるでしょう。NASCARの安全担当バイスプレジデントであるJohn Patalak氏も、こうした潜在的リストを充分把握しています。レースシーズンを通して安全性を確保するために、Patalak氏のチームは、コース上で取得した大量のデータとシミュレーション環境で取得したデータを活用しています。

Patalak氏は次のように述べています。「私たちは、安全性の問題にできる限り迅速に対応することを目指しています。ドライバーたちも、そうした迅速な対応を期待し、求めています。安全性を高めるための行動をドライバーに指示する場合は、実証されたデータに基づいていると自信を持って伝えることが必要です。誰かの意見だけで指示を出すことはできません。裏付けのある信頼性の高いデータに基づいて決定したことを伝えることが大切です。」

NASCARのドライバーは、公道を走る乗用車のドライバーよりも1マイルあたりに遭遇する衝突回数は多いものの、幸いにも、コース上での衝突1回あたりの負傷率ははるかに低いと、Patalak氏は述べています。NASCARが研究を進めているドライバーの怪我の1つが、脊椎の胸部と腰椎椎体間の圧迫骨折です。

このタイプの負傷を理解するために、NASCARでは擬人化試験装置（ATD）、すなわち衝突試験用ダミー人形を使用した試験データと、マルチフィジックス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で実行した多数の仮想シミュレーションを組み合わせています。

これらの仮想シミュレーションには、Toyota社が開発した人体のデジタル表現であるTHUMS（Total Human Model for Safety）も使用されています。NASCARでは、正面衝突時の脊椎損傷リスクを評価する際に、ダミー人形を単独で使用するよりも、THUMSモデルを使用することが多くなっています。

Patalak氏は次のように述べています。「このようなタイプの負傷については、多くの研究を行ってきました。機械的なモデルがあれば、試験を実施して、結果の妥当性を確認できます。しかし、シミュレーションがなければ、この特定の負傷メカニズムの実験に基づいたテストと実機による衝突試験用ダミー人形しかありません。衝突試験用ダミー人形には腰部のロードセルが搭載されていますが、脊椎の生物的忠実度はそれほど高くないため、こうしたツールの限界にすぐに到達してしまいます。シミュレーション環境で人体モデリングを使用することで、こうした制限を超えた研究が可能になります。」

ダミー人形から学べること

さまざまな制限事項はあるものの、NASCARでは、基本的にはATDを用いて試験を実行しています。このダミーモデルは、拘束装置モデルの妥当性を確認するのに役立ちます。NASCARでは、まず、シートベルトシステム、シート発泡材、ヘルメット、そして頭部前傾抑制（HANS: Head And Neck Support）装置（ドライバーのショルダーベルトの下に配置される、ヘルメットにテザーで接続されたヨーク状のカラー）の材料モデルを参照する必要があります。

デジタルモデリングを行う前に、重要な安全装置をすべて装着させたダミー人形に対して実験に基づいた試験を実施します。ダミー人形に搭載したセンサーからの出力やその他の物理的部品を確認できるように、この構成全体がLS-DYNA内でデジタルに再現されます。

ダミー人形に対する妥当性確認を行うことで、ダミー人形に接触しているシートベルト、ヘルメット、頭頸部の拘束装置、およびシート発泡材の仮想的な表現について、より高いレベルの信頼性を確立することができます。こうしたデータを取得した後、仮想環境からATDを取り除き、人体モデルの負傷メカニズムから、より詳細かつ繊細な問題について検討することができます。

この作業に基づいて、NASCARのエンジニアは、人体モデルが配置されている発泡材の剛性やシートベルトの角度などの拘束装置を微調整することで、段階的に改良を加えることができます。最近では、衝突直前の人体モデルの姿勢を調査しています。具体的には、人体モデル内の一部の筋肉組織を使用して、（実際にドライバーが衝突した際の様子を録画した高速ビデオを使用して）身構えたときの姿勢を有効化し、衝突直前にドライバーがどのような姿勢をとるかを調べます。

Patalak氏は次のように述べています。「胸腰部の脊椎骨折の場合、ダミー人形の出力はある程度制限されているため、負傷の具体的なメカニズムを理解するのに役立ちます。人体モデルを導入した理由は、各椎体の局所的なひずみを調べ、脊椎の一部の破壊ひずみと比較できるためです。また、各椎体にかかる断面力と曲げモーメントを調べることもでき、そうしたすべての情報を抽出して、システム全体を最適化できるようになります。」

Ansysのシミュレーションを使用したヘルメット性能の向上

NASCARでは、コース上でドライバーの命を守るための5つの重要な安全性の改善点を特定しました。

1. 衝突データを取得するためのブラックボックス
2. フルフェイスヘルメット
3. HANSデバイス
4. SAFER（スチールおよび発泡体の衝撃エネルギー低減対策）バリア
5. シートベルトおよびシートの改良

その中でもフルフェイスヘルメットは、そのカラフルなデザインだけでなく、レース中のドライバーの頭部を保護する能力にも注目が集まっています。フルフェイスヘルメットは、衝突時に生じる力を頭部全体に分散させ、高速衝突時に頭部の負傷から保護するように設計されています。

では、NASCARレースにおいて、フルフェイスヘルメットはどの程度効果があるのでしょうか。Patalak氏は、ヘルメットシェル自体が深刻な衝撃を受けることはごく稀だと述べています。NASCARのドライバーの頭部周りに配置されたロールケージや補強フレームによって頭部が完全に保護されているためです。しかし、依然として改善の余地はあります。

現在は、重大度の低い衝突において、ヘルメットの性能をより向上させるために研究が進められています。この研究は、大きな騒音のする、過酷な狭い空間内で、安全性とドライバーの快適性のバランスをとることを目指しています。ドライバーは、ドライバーシートとエネルギー吸収発泡材を利用して、車体とドライバーの身体の密着性が高まることを期待しています（安全性の観点から非常に有益）。

コックピット内では、ヘルメット内の衝突防止発泡材があるため、衝突時の頭と首に対する負傷のリスクは最小限に抑えられますが、通常の運転で問題が生じることもあります。路面の隆起を超えたり、カーブを曲がった際、左右に身体が振られるため、頭部と衝突防止発泡材の間で摩擦が発生します。そのため、ヘルメット内の発泡材と頭部の間で生じる重大度の低い衝撃の影響を調査して、レース中の不快感を軽減することに尽力しています。

Patalak氏は次のように述べています。「この現象を再現するために、頭部周りの発泡材モデルに対して特性パルスを使用し、人体モデルの頭部がどのように反応するかを確認しています。その後で、シミュレーション環境でヘルメットまたは発泡材の材料特性を変更して、こうした衝撃の影響を軽減できる方法を検討しています。」

シミュレーションを使用して今後のレースの安全性を向上

ヘルメット開発に関する試験や取り組みは、どれもNASCARの長期研究の一環です。現在、NASCARは、LS-DYNAでモデリングを行い、実験に基づいたテストの開発に取り組んでいます。その目的は、ヘルメットメーカーだけでなく、Snell Memorial FoundationやFIA（Fédération Internationale de l’Automobile）などの業界団体でも、より重大度の低いレベルでヘルメットの有効性を評価できるような試験を開発することです。

SnellとFIAは、どちらもモータースポーツ用ヘルメットの評価、試験、規制に取り組んでいます。誰もがヘルメットシステムの完全なLS-DYNAモデルを活用できる環境にはないため、NASCARは、両団体と協力しながら、モータースポーツの安全性をさらに向上させようとしています。

Patalak氏のチームは、さらにドライバーを保護できるように、ヘルメットが接続されているHANSのテザーに対して、どのような調整を加えることができるのかを検討しています。テザーの長さ、高さ、角度が首の上部および下部の荷重に与える影響も研究対象となっています。衝突時に首にかかる力を増加させることなく、頭部加速度を大幅に低減させるようなモデリング環境内で最適点を見つけることを目指しています。これは、シミュレーションがなければ、不可能ではないにしても、非常に難易度の高い作業です。

Patalak氏は次のように述べています。「LS-DYNAのシミュレーションは、実機試験に内在する小さなばらつきを排除し、システムに対する微細な変化の影響を高い信頼性で、これまで以上に迅速かつ安価に評価できる点で非常に高い価値があります。LS-DYNAは、まさに唯一無二のツールです。LS-DYNAで実行できることを他のツールで再現することはできないため、いかにLS-DYNAが優れているかを何かと比較して示すことはできません。」

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• Driven by Simulation: NASCAR、次世代自動車で安全性をシミュレーション
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