Od wielu lat zderzenia czołowo-boczne samochodów mają dominujący udział w całkowitej liczbie wypadków drogowych w Polsce. Naukowcy Wojskowej Akademii Technicznej opracowali model, który może przyczynić się do poprawy bezpieczeństwa uczestników tego typu zdarzeń, a wyniki swoich badań opublikowali w czasopiśmie „Nonlinear Dynamics”.
O przeprowadzonych badaniach, zaletach nowego modelu zderzenia czołowo-bocznego i wyzwaniach stojących przed konstruktorami samochodów w rozmowie z Marcinem Wrzosem opowiada mgr inż. Mateusz Ziubiński z Wydziału Inżynierii Mechanicznej WAT.
Co Pana skłoniło do zajęcia się zderzeniami czołowo-bocznymi?
Liczba wypadków drogowych w Polsce na tle innych krajów europejskich jest bardzo duża. Ponad 30% z nich stanowią zderzenia czołowo-boczne, czyli takie, w których jeden samochód przodem uderza w bok drugiego pojazdu. Zwykle wynikają one z wymuszenia lub nieustąpienia pierwszeństwa przejazdu. Dla porównania, zderzenia czołowe samochodów rokrocznie stanowią tylko 10% wszystkich wypadków drogowych. Tak duża liczba zderzeń czołowo-bocznych zwróciła moją uwagę i skłoniła do głębszego rozpoznania tej problematyki.
Analiza i rekonstrukcja wypadków drogowych jest wpisana w DNA Instytutu Pojazdów i Transportu Wydziału Inżynierii Mechanicznej WAT, którego pracownikiem jestem od 2017 roku. Ogromna wiedza i doświadczenie kadry badawczej Instytutu była dodatkowym impulsem do podjęcia badań w tej tematyce.
Dlaczego ten typ zderzenia jest tak groźny?
W głównej mierze wynika to z ograniczonego miejsca do zastosowania systemów bezpieczeństwa biernego, czyli systemów, których działanie ma ograniczyć skutki wypadku. Grubość bocznej części nadwozia jest niewielka, z uwagi na wymagania konstrukcyjne i użytkowe samochodów – w środku chcemy mieć jak najwięcej miejsca, ale z kolei szerokość samochodu ma wpływ na wygodę jazdy. To ograniczenie miejsca stanowi znaczne wyzwanie dla konstruktorów samochodów, aby w jak najlepszy sposób przygotować nadwozie na ryzyko bocznego uderzenia.
Obrazując ten problem spójrzmy na przód samochodu – tam na drodze do przedziału pasażerskiego mamy zderzak, podłużnice, blok silnika i łącznie ponad metr nadwozia, które w kontrolowany sposób może ulec deformacji podczas zderzenia, zanim dotrzemy do przestrzeni, w której są ludzie. Na boku nadwozia pasażera ochraniają tylko drzwi, których grubość zwykle wynosi od 20 do 30 centymetrów. Niestety, w trakcie bocznego uderzenia elementy konstrukcyjne na boku pojazdu ulegają nadmiernej deformacji i ingerują w przestrzeń, w której znajdują się ludzie.
Na jakie urazy narażony jest człowiek w przypadku zderzenia czołowo-bocznego?
Statystyki wypadków drogowych i wypracowane na podstawie wielu badań eksperymentalnych i modelowych zależności empiryczne wskazują, że pasażerowie samochodu uderzanego w bok są najbardziej narażeni na obrażenia klatki piersiowej. Częste są także urazy brzucha, miednicy i ud. Wynika to właśnie z problemu nadmiernej deformacji elementów konstrukcyjnych nadwozia, które mogą uderzyć w pasażerów.
Jaka jest skuteczność systemów bezpieczeństwa stosowanych w samochodach w przypadku zderzeń czołowo-bocznych?
Obecnie w samochodach osobowych zwykle montuje się poduszki i kurtyny gazowe, które są dedykowane dla bocznego uderzenia lub wywrócenia samochodu. Do poprawnego zadziałania poduszki gazowej zakłada się, że kontakt pasażera z nią nastąpi w chwili, w której osiągnęła ona już pełne napełnienie i zaczyna w niej maleć ciśnienie. W innym przypadku ta poduszka przynosi odwrotne skutki – zamiast złagodzić obciążenia pasażera, może je spotęgować. I niestety sporo jest wyników badań, które jednoznacznie wskazują, że w związku z ograniczoną przestrzenią podczas deformacji boku nadwozia, boczne poduszki gazowe zwiększają ryzyko obrażeń.
W jaki sposób stworzony został model?
W ramach realizowanego przeze mnie projektu doktorskiego prowadziłem analizę stosowanych narzędzi do badań modelowych w zakresie zderzeń pojazdów. W literaturze wykorzystuje się szeroki wachlarz narzędzi, od bardzo prostych modeli, aż po niesamowicie złożone modele MES (metoda elementów skończonych), gdzie modeluje się każdą „śrubkę” w samochodzie. Naturalnie, te modele pozwalają na bardzo dokładne odwzorowanie systemu rzeczywistego. Jednak wymagają one ogromnej ilości danych, które ciężko jest pozyskać. Czasem jest to wręcz niemożliwe. Stąd też we współpracy z moim promotorem, prof. dr. hab. inż. Leonem Prochowskim, opracowaliśmy koncepcję modelu, w którym odwzorowaniu podlegały kluczowe w naszej opinii procesy, zachodzące w trakcie zderzenia samochodów. Wykorzystaliśmy metody dynamiki analitycznej z aplikacją nieliniową.
Przygotowanie modelu nie byłoby możliwe bez wieloletniej współpracy naukowej z dr hab. inż. Mirosławem Gidlewskim, prof. WAT oraz dr. inż. Krzysztofem Dziewieckim, a także bez ważnego wsparcia ze strony dr. hab. inż. Jerzego Jackowskiego, prof. WAT – Dyrektora Instytutu Pojazdów i Transportu. Wspólnym wysiłkiem przygotowany został model komputerowy zderzenia czołowo-bocznego samochodów w środowisku programu Matlab. Ważnym etapem przygotowania modelu była jego parametryzacja i weryfikacja eksperymentalna, oparte o rezultaty badań eksperymentalnych z laboratoriów amerykańskich oraz polskich. Weryfikacja dała dobre rezultaty, dlatego przygotowany artykuł naukowy wzbudził zainteresowanie redakcji czasopisma „Nonlinear Dynamics”.
Dlaczego stosuje się modele zamiast testów zderzeniowych i jak wygląda ich skuteczność?
W nauce obserwujemy trend przenoszenia badań do środowiska wirtualnego, ponieważ przygotowanie testu zderzeniowego wymaga ogromnego nakładu czasu i pracy. Dodatkowo każde zderzenie pojazdów jest niebezpieczne. Istnieje duże ryzyko uszkodzenia drogiej aparatury pomiarowej, a manekiny antropomorficzne stosowane w takich badaniach zwykle kosztują miliony złotych.
Dlatego łatwiej, taniej i bezpieczniej prowadzić badania modelowe. Ich jakość zależy od stopnia uproszczenia rozpatrywanego systemu rzeczywistego oraz od parametryzacji i weryfikacji opracowanego narzędzia. Dla zderzeń samochodów wyniki modelowania odnosi się do wyników testów zderzeniowych. Jeśli w modelu uzyskujemy zbliżony rezultat do wyniku testu zderzeniowego, można wnioskować, że model jest dobry.
Jak wyglądały badania?
W badaniach szukaliśmy relacji między warunkami początkowymi zderzenia czołowo-bocznego a skutkiem wypadku drogowego, prognozowanego przez prawdopodobieństwo obrażeń pasażera samochodu uderzanego w bok. Te warunki początkowe są determinowane na przykład przez prędkość jazdy pojazdów przed zderzeniem. Przygotowany model odwzorowuje przebieg bocznego uderzenia samochodu osobowego typu sedan. Zaletą badań modelowych jest to, że w relatywnie krótkim czasie można przeprowadzić dużą liczbę symulacji dla różnych danych wejściowych. Przykładowo, na potrzeby artykułu, zrealizowałem około 400 symulacji.
Jakie są wnioski z przeprowadzonych badań?
Uzyskane wyniki potwierdziły, że podczas bocznego uderzenia samochodu największe ryzyko obrażeń istnieje dla klatki piersiowej kierowcy. Natomiast głowa nie jest tak bardzo narażona na urazy.
Oprócz analizy ryzyka obrażeń, w artykule przebadaliśmy także proces deformacji bocznej części nadwozia. W zderzeniu czołowo-bocznym bok nadwozia ulega znacznie większej deformacji niż przód samochodu uderzającego. To też jeden z problemów tego typu zdarzeń drogowych, definiowany jako brak kompatybilności samochodów w aspekcie ich zderzenia.
Sam model umożliwia prowadzenie symulacji dla skrajnych sytuacji, jakie mogą zaistnieć w ruchu drogowym, na przykład zderzenia samochodów przy bardzo wysokiej prędkości, przekraczającej 100 km/h. Ze względów bezpieczeństwa i z uwagi na koszty, testy zderzeniowe są w głównej mierze realizowane dla prędkości nieprzekraczających 60 km/h.
Do czego będzie można wykorzystać stworzony model?
Badania dostarczają wyników możliwych do wykorzystania w zakresie działań do doskonalenia bezpieczeństwa biernego bocznej części nadwozi samochodów osobowych. Struktura modelu pozwala na ogólne wnioskowanie na temat wpływu kształtowania właściwości różnych elementów nadwozia samochodu (jak drzwi czy słupek środkowy) na przebieg i skutki zderzenia. To aktualny i szeroko rozwijany problem w literaturze.
Ponadto określona zależność między warunkami początkowymi zderzenia a jego skutkami, jak deformacja nadwozia czy obrażenia u pasażerów, jest ważna z punktu widzenia rekonstrukcji wypadków drogowych. W takim procesie biegli sądowi znając skutki wypadku dociekają na temat jego przyczyn. Rezultaty artykułu pozwalają na podstawie obrażeń pasażerów szacować prędkość jazdy, przy której doszło do wypadku drogowego. To ważne, ponieważ w statystykach wypadków drogowych „nadmierna prędkość” najczęściej pojawia się jako przyczyna zdarzenia. Stąd też ustalenie tej prędkości w procesie rekonstrukcji umożliwia później ustalenie winnego wypadku.
Co było innowacyjnego w zaproponowanym modelu?
Przygotowany model zderzenia czołowo-bocznego nie jest wysoce skomplikowany jak modele MES, ale uwzględniono w nim szereg ważnych procesów energetycznych, wpływających na przebieg i skutki zderzenia samochodów. Dostępne w literaturze proste modele zwykle pomijają te procesy, przez co uzyskiwane z nich wyniki budzą pewne wątpliwości. Ważnym etapem przygotowania modelu było zgromadzenie danych opisujących jego parametry. Takie dane w badaniach eksperymentalnych są trudne do zmierzenia. Wymagało to od naszego zespołu szeregu dodatkowych działań i analiz, aby na podstawie dostępnych badań precyzyjnie je określić.
Dodatkowym celem było przygotowanie narzędzia, które będzie można niedużym nakładem pracy dopasowywać do potrzeb badawczych. Model opisany w artykule jest przygotowany do analizy uderzenia w bok samochodu typu sedan. Jednak można łatwo zmodyfikować dane wejściowe, aby umożliwić badania modelowe dla innych typów nadwozi, czy konkretnych modeli samochodów.
Czy zamierza Pan kontynuować badania?
Opracowany model może łatwo stać się podstawą kolejnych badań w tym obszarze. Poszukuję naukowców, którzy chcieliby podjąć ze mną współpracę. Interesujące wydaje się rozważenie możliwości poprawy poziomu bezpieczeństwa biernego nadwozia pojazdu poprzez zastosowanie w konstrukcji boku nadwozia nowoczesnych i innowacyjnych materiałów, charakteryzujących się wysoką energochłonnością podczas zderzenia, przy jednocześnie niewielkiej masie. Przygotowany model komputerowy pozwala również na analizę symulacyjną wpływu właściwości materiałowych na przebieg i skutki wypadku drogowego.
Wyniki badań ukazały się w czasopiśmie „Nonlinear Dynamics” pod tytułem: „Impact energy and the risk of injury to motorcar occupants in the front-to-side vehicle collision”.
Artykuł otrzymał 140 punktów, wskaźnik cytowań dla czasopisma (IF) to 5.741.
*****
Mateusz Ziubiński w 2017 roku ukończył studia stacjonarne na kierunku Mechanika i budowa maszyn w Wydziale Inżynierii Mechanicznej WAT, uzyskując tytuł zawodowy magistra inżyniera – temat pracy dyplomowej „Diagnostyka deformacji nadwozia po czołowo-bocznym zderzeniu pojazdów”. Od października 2017 zatrudniony na stanowisku asystenta badawczo-dydaktycznego w Instytucie Pojazdów i Transportu WIM WAT. Od 2021 roku jest członkiem Zespołu Eksperckiego działającego w WAT Centrum Wiedzy o Dostępności do transportu i mobilności osób o szczególnych potrzebach. Autor kilkunastu publikacji naukowych ujętych w Bazie Wiedzy WAT.
Główne zainteresowania badawcze Mateusza Ziubińskiego skupiają się wokół problematyki bezpieczeństwa pojazdów w aspekcie wypadków drogowych oraz zagadnień sterowania samochodem autonomicznym w sytuacjach krytycznych. Aktualnie kończy realizację projektu doktorskiego w dyscyplinie naukowej Inżynieria Mechaniczna na temat „Deformacja nadwozia i powstawanie zagrożenia dla osób jadących w trakcie zderzenia czołowo-bocznego samochodów”.