NASCAR利用人体模型和仿真技术降低受伤风险

赛车运动本身就是危险的，不过，得益于仿真技术和虚拟建模，车手受重伤的风险得以保持在较低水平。

NASCAR拥有一些世界上最优秀的车手，但是即便如此，当以每小时200英里的速度在牵引力边缘行驶时，撞车仍几乎在所难免。NASCAR安全副总裁John Patalak敏锐地察觉到这一潜在风险。为了在赛季期间确保安全，他的团队充分利用了赛道上收集的海量数据以及仿真数据。

“从响应速度的角度来看，我们一直在努力提升的一项关键能力是，更快地应对安全问题，”他说道。“车手期望并要求我们做到这一点。如果我们要让车手采取一些措施来提高安全性，前提是我们必须有可信的数据作为依据。我们不能仅凭观点和想法来做出决策。我们需要数据，并且数据要足够可靠，这样我们才能高枕无忧。”

据Patalak称，虽然NASCAR比赛中每英里发生的碰撞次数比乘用车行驶时多，但车手在赛道上每次碰撞的受伤几率要低得多。NASCAR正在研究的一种特定损伤，是胸腰椎椎体间的压缩性骨折。

为了了解这些类型损伤，NASCAR使用了拟人化测试装置（ATD，即碰撞测试假人）的测试数据，并利用Ansys LS-DYNA多物理场结构动力学仿真软件进行了大量虚拟仿真。

这些虚拟仿真还涉及使用日本丰田汽车的THUMS（全人体安全模型），这是人体的一种数字表示，与仅使用机械假人相比，该模型有助于团队在正面碰撞过程中进行更彻底的脊柱损伤风险评估。

Patalak表示：“我们对这些类型的损伤进行了大量研究。你可以建立一个机械模型，可以对其进行测试和验证。但如果没有仿真，在研究这种特定伤害机制时，实际上就只能依赖经验测试和物理碰撞假人，这会受到很大限制。碰撞测试假人确实有腰部称重传感器，但它们的脊柱不是完全仿生的，所以我们很快就能发现这些工具的限制性。在仿真环境中使用虚拟人体模型，则能够突破这些局限性。”

假人仍可以让您获益良多

，抛开局限性不谈，NASCAR的测试基准仍然是ATD，该假人模型可帮助团队验证其约束系统模型。为此，团队必须参考座椅安全带系统、座椅泡沫、头盔和HANS装置（即头颈支撑装置，一种类似“马蹄形”的颈部护具，与头盔相连，置于赛车手的肩部安全带之下）的材料模型。

在完成任何数字建模之前，该团队会通过所有相关的安全设备对机械假人进行经验测试。所有相关设置都在LS-DYNA软件中以数字方式被重新创建，以查看假人身上的所有传感器输出以及其他物理部件。

将虚拟仿真结果与实体假人的实测数据进行比对验证，可以让团队对虚拟模型中安全带、头盔、头颈约束装置以及与假人接触的座椅泡沫材料等部分的模拟更加有信心。团队拥有了这些部件后，就可以将ATD从虚拟环境中移除，并开始研究人体模型损伤机制中更详细和细微的问题。

根据该活动，NASCAR工程师可以调整约束系统，例如人体模型所接触、支撑其身体的泡沫材料的刚度或安全带的角度，以实现渐进式改进。最近，该团队正在研究人体模型的冲击前的姿势。这包括激活模型中的部分肌肉结构，使其呈现出支撑姿势，以模拟驾驶员在即将发生碰撞时的反应。研究人员还参考了真实碰撞事件的高速视频，以了解驾驶员在撞击前会如何调整身体姿势。

Patalak表示：“对于胸腰椎骨折，假人的输出设置有限，无法帮助我们了解这种特定的损伤机制。我们选择虚拟人体模型的原因是，它使我们能够查看每个椎体上的局部应变，并开始将这些应变与脊柱某个区域的失效应变进行比较。此外，我们还可以查看穿过每个椎体的横截面力和弯曲力矩，以便提取所有这些信息来优化整个系统。”

Ansys软件助力工程师了解头盔性能

NASCAR的五项关键安全改进，已成为了赛道上的重要救生技术：

1. 碰撞数据的黑盒
2. 全罩式头盔
3. HANS器件
4. 钢-泡沫能量吸收防护墙
5. 改良的安全带和座椅

其中，全罩式头盔因其色彩鲜艳的外观和头部保护作用而备受关注，其设计可将碰撞产生的力分布到整个头部，并保护车手在高速冲击过程中免受面部损伤。

在NASCAR比赛中，头盔的表现如何？据Patalak称，车手很少会和头盔本身发生严重冲击，这是因为NASCAR车手的整个头部都被防滚架严密包围保护着。当然，仍有改进的空间。

该团队一直希望实现性能提升的一个方面是，头盔在低强度冲击情境下的防护性能。目标是在一个嘈杂、恶劣甚至压抑的环境中，既保障安全性，又能尽量满足车手的体验需求。从安全角度出发，车手要尽可能与赛车形成非常紧密的“耦合”——从工程上讲，就是身体与赛车形成良好的整体连接，而这种连接是通过赛车座椅和能量吸收泡沫实现的。

在驾驶座中，车手头盔被碰撞泡沫包围，虽然这最大限度地降低了头部和颈部的碰撞伤害风险，但对于常规驾驶来说可能是一个问题。因为，车手驶过颠簸路面和路缘时，他们可能会左右晃动，导致头部与防撞泡沫发生撞击。该团队的重点领域之一是探索和了解头盔和头部周围泡沫之间的低强度冲击，这种冲击在比赛中可能会让车手感到不舒服。

Patalak表示：“为了复现这种现象，我们通过系统对头部泡沫模型施加特征脉冲信号，以观察人体模型的头部如何响应。然后，我们在仿真环境中修改头盔或头部泡沫的材料属性，以减轻这些冲击的影响。”

仿真助力提高未来赛季的安全性

NASCAR在进行一项长期研究，而各项头盔研发测试工作都是其重要组成部分。目前，该团队正在使用LS-DYNA仿真软件进行建模，尝试开发经验测试方法。其目的是开发相关测试，以便头盔制造商或标准制定者（包括Snell Memorial Foundation和国际汽车联合会FIA）评估头盔在低强度冲击下的防护效能。

Snell和FIA都致力于赛车运动头盔的评估、测试和监管工作。通过与这两家机构共享工作成果，NASCAR正在为提升赛车运动的安全性做出贡献——毕竟，并非所有人都有条件使用完整的头盔系统LS-DYNA仿真模型。

Patalak的团队还正在研究他们可以对头盔所连接的HANS系带进行哪些调整，以便更好地保护车手。该研究包括系带长度、高度和角度对上下颈部载荷的影响。他们的想法是在建模环境中找到理想平衡点，从而显著降低头部加速度，并且不会在冲击时增加颈部受力。如果没有仿真，这项工作即使可以进行，也会有很大的局限性。

Patalak表示：“我认为，LS-DYNA仿真的价值在于，我们可以先将物理测试固有的小变量放在一边，并以高置信度、更快速、更低成本地来真正评估微小变化对系统的影响。“我们很难估量该软件真正的价值，因为在许多情况下，如果没有LS-DYNA仿真，我们的相关工作将变为天方夜谭。”

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