NASCAR 利用人體模型和模擬降低受傷風險

賽車本身就是危險的。多虧模擬環境中的虛擬建模，嚴重駕駛傷害的風險一直都很低。

NASCAR 駕駛都是世界頂尖的駕駛。但以時速 200 英里的速度在摩擦力邊緣駕駛時，一碰撞是不可避免的。NASCAR 安全副總裁 John Patalak 非常清楚潛在風險。為了協助在賽季中保持安全，他的團隊仰賴在賽道上取得的大量數據，與在模擬環境中取得的資訊。

他表示：「從速度的角度來看，我們向來嘗試改善的其中一個項目就是能夠更快地回應安全問題。。我們的車手期待並要求我們這樣做。如果我們要告訴車手採取提高安全性的行動，就必須要有信心拿出實證資料。我們不能僅根據意見來做到這一點，但因為我們具備做決策所需的可靠又穩固的資料，我們晚上都能睡得安穩。」

雖然 NASCAR 車手的每英里碰撞次數比乘用車的次數還要多，但 Patalak 指出，幸運的是，賽道上每次碰撞的傷害率相對較低。NASCAR 正在研究的一種特定的駕駛傷害，是胸椎和腰椎體之間的壓迫斷裂。

為了瞭解這些類型的傷害，NASCAR 利用人體模態測試裝置 (ATD) 或碰撞測試假人，以及 Ansys LS-DYNA 中的多重物理量結構動態模擬軟體中的大量虛擬模擬，綜合出測試資料。

這些虛擬模擬也使用 Toyota 的 THUMS (Total Human Model for Safety；全人類安全模型)，這是一種數位人體，比起單憑機械假人，這能協助團隊針對正面衝擊狀況中的脊椎受傷風險執行更整權的評估。

「我們對這些類型的傷害做了大量研究。」Patalak 表示。「你可以使用力學模型。你可以測試它。你可以驗證它。如果沒有模擬，這種特定傷害機制的實證測試和實體碰撞測試假人的效果相當有限。碰撞測試假人確實有腰椎負重傳感器，但距離生物體的真實樣態還有一段距離，因此這些工具很快就達到極限。在模擬環境中使用人體建模可超越這些限制。」

你仍然可以從假人身上學到很多

除了任何限制之外，NASCAR 的測試基準是擬人測試設備(ATD)。虛擬模型有助於團隊驗證其固定系統模型。為此，團隊必須參考安全帶系統、座椅泡棉、安全帽和 HANS 裝置 (頭頸支撐裝置 (head and neck support device或是固定於安全帽且位於駕駛肩帶下方的弧形領片的材料模型。

在進行任何數位建模之前，團隊會使用所有相關的安全設備實體測試機械假人。這整套設定會在 LS-DYNA 軟體中以數位方式重建，供研究者查看假人以及其他實體零件上的所有感應器輸出。

有了實體假人驗證，團隊就能對安全帶、安全帽、頭頸固定裝置以及接觸假人的座椅泡棉等項目的虛擬再現更有信心。一旦團隊湊齊這些資料，就可以從虛擬環境中移除 ATD，並開始使用人體模型查看傷害機制中更詳細且精微的問題。

根據此活動，NASCAR 工程師可以微調固定系統，例如人體模型所乘泡棉硬度或安全帶的角度，進而逐漸改善。截至最近，該團隊正在檢查人體模型撞擊前的姿勢。這包括開啟模型中的部分肌肉組織以啟動支撐姿勢 (得益於真實駕駛碰撞的高速影片)，瞭解駕駛在碰撞前的身體姿勢。

「如果胸椎脊柱斷裂，假人所能提供的特定傷害機制知識較為有限。」Patalak 表示。「因此，我們選擇人體模型的原因是我們可以查看每個椎體上的局部應變，並開始將這些作用與脊柱特定區域的失效應變進行比較。我們也可以查看每個椎體的橫截面力和彎曲力矩，擷取所有相關資訊，改善整體系統。」

Ansys 軟體協助工程師改善安全帽

NASCAR 的五項關鍵安全改善被認定為賽道上的救生員：

1. 碰撞資料的黑箱
2. 全罩式安全帽
3. HANS 裝置
4. 鋼鐵和泡棉減震屏障
5. 改良版安全帶和座椅

其中，全罩式安全帽的繽紛外觀，以及在比賽中保護駕駛頭部的能力，都令其最受關注。它們的設計可將碰撞力分散到整個頭部，並在高速衝擊時保護駕駛者免受面部傷害。

安全帽在 NASCAR 比賽中的表現如何呢？根據 Patalak 的說法，車手很少會感覺到安全帽殼本身遭到的高強度撞擊。這是因為 NASCAR 的車手們都完全被包覆在安全帽中，上面有一個防滾架。然而，永遠都還是有進步的空間。

團隊一直希望安全帽在低強度撞擊領域的效能更加傑出。在吵雜、艱困甚至封閉的環境中，目標是要在安全與駕駛預期之間達到平衡。駕駛希望能夠與車輛「嵌合」—這是工程術語，指的是與車輛的連接(從安全角度來看，這是非常有益的)—透過駕駛座和能量吸收泡棉來實現。

在駕駛艙中，碰撞泡棉包圍住駕駛的安全帽，這樣雖然能將頭頸的碰撞傷害風險降至最低，但對於一般駕駛來說可能是個問題。當駕駛越過顛簸和彎道時，他們可能會從左向右推擠，造成頭部和碰撞泡棉之間的撞擊。車隊想要探索和瞭解安全帽和頭部周圍泡棉之間的低強度撞擊，此類撞擊可能會在比賽中造成不適。

「為了重現這種現象，我們會對頭部泡棉模型系統試驗獨特脈衝，看看人體模型頭部會如何反應。」Patalak 表示。「接著，我們會在模擬環境中，修改安全帽或頭部泡棉內的材料屬性，減輕這類衝擊的影響。」

模擬讓賽季更安全

安全帽開發的任何測試工作都是 NASCAR 長期研究的一部分。目前，該團隊正在使用 LS-DYNA 模擬軟體建模，嘗試開發實證測試。其目的是開發測試，讓安全帽製造商或標準領袖 (包括 Snell 紀念基金會和 FIA，或 Fédération Internationale de l’Automobile) 可用來評估低強度狀況的安全帽效能。

Snell 和 FIA 都負責評估、測試和監管賽車安全帽。NASCAR 與這兩個組織分享其工作成果，正在積極推動賽車安全，因為並非每個人都有幸能使用完整的 LS-DYNA 安全帽系統模型。

Patalak 的團隊也正在研究如何調整安全帽連接的 HANS 繫繩，進而強化對駕駛的保護。研究包括繫繩長度、高度和角度對上頸和下頸受力的影響。主要想法是在建模環境中找到最佳位置，這將顯著降低頭部加速度，而不會增加衝擊時的頸部力量。最後，如果沒有模擬，即使並非不可能完成工作，工作本來會受到嚴重限制。

「我認為 LS-DYNA 模擬的價值在於，我們可以暫時忽略實體測試的固有微小變數，並以更快、更便宜的方式評估對可靠系統做出微小變更的影響。」Patalak 表示。「軟體的實際價值很難估計，因為在許多情況下，如果沒有它，我們在 LS-DYNA 模擬中所能做的事情都不可能做到。」

深入瞭解

• 由模擬推動：NASCAR 使用新一代車輛執行安全模擬
• 探索 LS-DYNA 模擬軟體的功能
• 一窺 Ansys Hans 人體模型