Recenzja 2

Komentarze

Transkrypt

Recenzja 2
prof. dr hab. inż. Marek Gzik, prof. zw. w Pol. Śl.
Katedra Biomechatroniki
Wydział Inżynierii Biomedycznej
Politechnika Śląska
Gliwice 30.04.2016r.
RECENZJA
rozprawy doktorskiej mgr inż. Artura Muszyńskiego
zatytułowanej
„Modelowanie i badania fotelika bezpieczeństwa w aspekcie zmniejszenia obciążeń
dynamicznych działających na ciało dziecka podczas wypadku drogowego”
1.
Zakres rozprawy
Statystyki wypadków drogowych oraz odnoszone w nich urazy są główną inspiracją
kierunków rozwoju systemów biernej poprawy bezpieczeństwa w pojazdach. Największe
osiągnięcia poziomu bezpieczeństwa dotyczą kierowcy i osób dorosłych podróżujących na
przednich fotelach samochodów osobowych. To właśnie na tej grupie producenci przede
wszystkim koncentrują swoją uwagę, inwestując znaczne środki doskonalące konstrukcje
pojazdów. Cechy budowy antropometrycznej oraz właściwości mechaniczne struktur tkanek
biologicznych dzieci istotnie różnią się od osób dorosłych. Fakt ten w związku z przystosowaniem
systemów bezpieczeństwa biernego do optymalnej ochrony przed urazami 50-centylowych
osobników dorosłych sprawia, że nadal dużym wyzwaniem jest poprawa bezpieczeństwa dzieci
podczas wypadków drogowych. Foteliki to podstawowy element bezpieczeństwa dzieci
przewożonych w samochodach, wymagany przepisami prawa o ruchu drogowym. Kryterium
wzrostu do 150 cm decyduje o konieczności stosowania fotelików, niemniej jednak dobór
właściwego fotelika dla dziecka jest w gestii opiekunów. Foteliki znajdujące się w ofercie na
rynku reprezentują zróżnicowaną jakość i poziom standardów bezpieczeństwa. Właściwie dobrany
fotelik w sposób istotny wpływa na ochronę dzieci przed urazami podczas wypadków drogowych.
Źle dobrany natomiast może być źródłem zagrożenia nawet w przypadku zderzenia przy
stosunkowo niskich prędkościach.
Z uwagi na wymienione okoliczności wybór tematu pracy doktorskiej uważam za aktualny
i niezwykle istotny z punktu widzenia potrzeby poprawy bezpieczeństwa dzieci przewożonych
w pojazdach drogowych. Wiedza z tego zakresu jest niepełna i wymaga prowadzenia dalszych
badań.
Doktorant sformułował następujący cel pracy: "Opracowanie numeryczno eksperymentalnej metody badania fotelika bezpieczeństwa jako narzędzia do wykorzystania
w pracach mających na celu zmniejszenie obciążeń dynamicznych ciała dziecka podczas wypadku
drogowego".
1
Zakres zrealizowanych zadań obejmował:
 wytypowanie metod modelowania numerycznego, najbardziej efektywnych z punktu
widzenia odwzorowania procesu zderzenia,
 opracowanie
metodologii
badawczej
podczas
testów
stanowiskowych
wykorzystujących obciążenia dynamiczne,
 opracowanie modelu MES głównych elementów systemu podtrzymujacego,
 przeprowadzenie badań materiałowych elementów użytych w konstrukcji systemu
podtrzymującego,
 dobór wartości parametrów w aspekcie uzyskania poprawnego rozwiązania
numerycznego - weryfikacja modeli,
 wykonanie symulacji numerycznych odwzorowujących badania stanowiskowe,
 wytypowanie wielkości charakterystycznej dla badanego procesu pozwalającego na
porównanie wyników analiz numerycznych z badaniami stanowiskowymi
i przeprowadzenie walidacji wybranych procedur numerycznych,
 opracowanie metody badań interakcji układu manekin dziecka - system
bezpieczeństwa biernego pojazdu w czasie wypadku drogowego, a szczególnie
podczas uderzenia w bok pojazdu dla określenia najistotniejszych czynników
decydujących o powstaniu i wielkości obrażeń u dzieci.
Rozprawa doktorska obejmuje 150 stron tekstu wraz z bibliografią w liczbie 79 pozycji,
aktami normatywnymi i prawnymi w liczbie 18 oraz 8 stronami internetowymi. Praca podzielona
została na 6 rozdziałów wraz z podrozdziałami.
Recenzowana rozprawa mieści się w szeroko pojętej dyscyplinie naukowej – mechanika,
w specjalności biomechanika.
2.
Ocena merytoryczna rozprawy
W rozdziale pierwszym Doktorant przedstawił szeroko rozumiany problem
bezpieczeństwa w aspekcie obowiązujących przepisów normatywnych standaryzujących
wymagania techniczne związane z bezpieczeństwem pojazdów drogowych. W pracy zawarte
zostały dane statystyczne dotyczące wypadków drogowych w zależności od rodzaju zdarzenia
drogowego jak i kierunku działania wymuszenia. Przedstawione zostały również dane Komendy
Głównej Policji dotyczące liczby ofiar uczestniczących w wypadkach w grupie dzieci i młodzieży
w Polsce do lat 14. Rozdział zawiera ponadto przegląd literatury z zakresu zachowania się
fotelików bezpieczeństwa w warunkach zderzenia w aspekcie możliwości wprowadzenia zmian
w ich konstrukcji mających na celu zmniejszenie średnich wartości obciążeń dynamicznych
oddziaływujących na ciało dziecka. Opisane wyniki prac uwzględniają metody symulacji
komputerowej oraz wyniki testów eksperymentalnych. W pracy zawarto krótki opis dwóch
obecnie obowiązujących regulaminów homologacyjnych, na podstawie których uprawniona
jednostka techniczna przeprowadza badania dostarczonych przez producenta urządzeń
przytrzymujących dla dzieci. Doktorant opisał również najważniejsze kryteria oceny urządzeń
przytrzymujących w aspekcie zapewnienia wymaganego poziomu bezpieczeństwa dziecka,
z uwzględnieniem wartości obciążeń dynamicznych zarejestrowanych w czasie testów
eksperymentalnych dla manekina dziecka. Według Autora wprowadzona procedura badawcza
2
według nowych wytycznych zawiera pewne ograniczenia. Z tego też powodu w pracy zawarto
uwagi dotyczące procedury homologacji urządzeń przytrzymujących według nowych
obowiązujących wytycznych. Ocena aktualnego stanu wiedzy, wyciągnięte na tej podstawie
słuszne wnioski były podstawą sformułowania celu pracy.
W rozdziale drugim Doktorant przedstawił wyniki przeprowadzonych badań identyfikacyji
materiałów, z których wykonane są elementy konstrukcyjne fotelika bezpieczeństwa w celu ich
uwzględnienia w modelu numerycznym. Wyniki ww. badań uwzględniają wrażliwości na
szybkość odkształceń. Badania właściwości materiałowych podzielono na elementy wykonane
z polipropylenu, elementy wykonane ze stali oraz na elementy zintegrowanych pasów
bezpieczeństwa. Dla elementów wykonanych z polipropylenu przeprowadzono próby statycznego
jednoosiowego rozciągania próbek wiosełkowych o przekroju prostokątnym. W wyniku
przeprowadzonych
testów
eksperymentalnych,
uzyskano
wartości
parametrów
wytrzymałościowych polipropylenu, które przedstawiono w postaci tabeli. Dodatkowo w pracy
Doktorant zamieścił porównanie wyników badań materiałowych polipropylenu przy rejestracji
odkształceń za pomocą ekstensometru. Przeprowadzone badania przy różnej prędkościach
odkształceń wykazały dużą wrażliwość materiału w przypadku obciążeń dynamicznych. Dla
elementów zintegrowanych pasów bezpieczeństwa przeprowadzone zostały badania rozciągania
wąskich i szerokich próbek z pomiarem odkształceń przy użyciu wideoekstensometru na
podstawie których wyznaczono parametry wytrzymałościowe.
W rozdziale trzecim przedstawiony został wybór metody obliczeniowej MES i jej opis
w aspekcie charakteru opisywanego układu mechanicznego. Przytoczone zostały podstawowe
rozważania analiz opisywanych zjawisk fizycznych. Opisano dane materiałowe przyjęte dla
poszczególnych elementów składowych fotelika z wyszczególnieniem dostępnych modeli
w systemie LS-Dyna. Zawarto opis geometrii modelu badawczego z podziałem na elementy
składowe, które poddane zostały dyskretyzacji. W rozdziale zawarty został opis zastosowanych
elementów skończonych wraz z opisem zagadnień kontaktu w ujęciu numerycznym MES.
Przedstawiono sposób modelowania połączeń śrubowych oraz zintegrowanych pasów
bezpieczeństwa fotelika. W celu oszacowania ilościowych błędów wynikających z przyjętego
sposobu modelowania przeprowadzono walidację modelu numerycznego. Porównane zostały
wyniki szeregu symulacji numerycznych, odpowiadających kolejnym konfiguracjom
eksperymentalnym. Proces walidacji modelu numerycznego podzielony został na statyczne
badania eksperymentalne fotelików dziecięcych zrealizowane z wykorzystaniem maszyny
wytrzymałościowej oraz próby przeprowadzone w warunkach dynamicznych. Wyniki badań
eksperymentalnych zrealizowano dla wymuszenia działającego w kierunku prostopadłym oraz
równoległym do płaszczyzny symetrii fotelika bezpieczeństwa. Wyniki zarejestrowane podczas
testów eksperymentalnych porównano z wynikami symulacji komputerowej. Na podstawie
przeprowadzonej analizy porównawczej można jednoznacznie stwierdzić, że wyniki symulacji
numerycznych z wystarczającą dokładnością odwzorowują wyniki prób eksperymentalnych.
Rozdział czwarty obejmuje przegląd literatury z zakresu biomechaniki ciała dziecka w tym
również w odniesieniu do osoby dorosłej. Część przedstawionych prac dotyczy problemów
związanych z modelowaniem głowy człowieka w aspekcie oceny stopnia możliwych obrażeń
podczas wypadku. Odrębną grupę publikacji stanowią prace dotyczące mechanizmów urazów szyi
podczas wypadków drogowych i ich konsekwencji dla życia człowieka. Według Autora z czym
również się zgadzam w przypadku dzieci zagadnienie to jest znacznie trudniejsze do oceny.
3
W pracy opisano manekiny dziecka z uwzględnieniem ich numerycznych odpowiedników, jako
podstawowych narzędzie do badań bezpieczeństwa dzieci w pojazdach. Zawarto opis nowej serii
manekinów Q dających większe możliwości badawczych. Opisano uwarunkowania normatywne
wykorzystane w pracy, jako kryteria oceny skuteczności wprowadzonych zmian konstrukcyjnych
urządzenia przytrzymującego ze względu na wytyczne zawarte w Regulaminie 129 EKG ONZ.
Źródła wiedzy normatywnej były podstawą ustalenia kryteriów oceny przez porównanie
przebiegów przyspieszenia głowy oraz tułowia manekina dziecka w funkcji czasu. Ponadto
uwzględnione zostały kryteria dotyczące obciążeń zarejestrowanych w odcinku szyjnym
kręgosłupa manekina oraz wartości siły w pasie bezpieczeństwa.
W rozdziale piątym Doktorant przedstawił wyniki badań modelowych MES układu manekin
dziecka - fotelik bezpieczeństwa w czasie wypadku drogowego. Warunki testów oraz kryteria
oceny przyjęte dla badań były zbieżne z wymogami homologacyjnymi obowiązującymi dla
urządzeń przytrzymujących służących do przewożenia dzieci w pojazdach samochodowych.
Ustalono testy referencyjne dla zderzenia czołowego i bocznego oraz testy, które pozwoliły na
określenie wpływu zmian konstrukcyjnych wprowadzanych w modelu na wartość obciążeń
dynamicznych działających na ciało dziecka w czasie wypadku. Stanowisko do badań
dynamicznych odwzorowano na podstawie wytycznych zawartych w nowo obowiązującym
Regulaminie 129 EKG ONZ. Proces symulacji numerycznych obejmował etap usadowienia
manekina w foteliku bezpieczeństwa i umieszczenie fotelika na kanapie oraz realizacje próby
dynamicznej. Dla rozpatrywanego przypadku zderzenia czołowego wprowadzone modyfikacje
dotyczyły zmiany naciągu wstępnego zintegrowanych pasów bezpieczeństwa oraz zmiany
parametrów materiałowych elementów wykonanych z polipropylenu. Dla zderzenia bocznego
wprowadzono zmiany w geometrii oraz parametrach materiału zagłówka. Przeprowadzona analiza
pokazuje, że poprawne stosowanie metody MES pozwala na uzyskanie wyników symulacji
numerycznych układu manekin dziecka - fotelik bezpieczeństwa zgodnych z wynikami pomiarów
stanowiskowych. Wyniki analizy pokazują, że poprzez modyfikację konstrukcji fotelika
bezpieczeństwa można zmniejszyć wartości obciążeń dynamicznych oddziaływujących na ciało
dziecka przewożonego w pojeździe podczas wypadku.
W rozdziale podsumowujący wyniki prac Autor przedstawił dojrzałą analizę relacji pomiędzy
obciążeniem dynamicznym działającym na ciało dziecka a poziomem bezpieczeństwa podczas
wypadku. Zrealizowana praca i przeprowadzone badania eksperymentalno - modelowe, oprócz
spełnienia głównego celu, a więc opracowania odpowiedniej metody modelowania fotelika
bezpieczeństwa, pozwoliły na sformułowanie szeregu cennych wniosków dotyczących metodyki
i procedur, a także wniosków odnoszących się do konkretnych etapów badań które zawarte zostały
w pracy.
3.
Uwagi do pracy
Praca dotyczy złożonych i trudnych zagadnień, co zrodziło kilka pytań i wątpliwości:
Uwaga ogólna:
Doktorant zakłada w pracy ambitny cel opracowanie metody badań modelowoeksperymentalnych dziecięcych fotelików, która to metoda mogłaby stać się standardem badań
certyfikujących foteliki z opcją dopuszczeniem do sprzedaży. Przeglądając pracę zrealizowanych
zostało wiele cennych badań, niemniej jednak zabrakło syntetycznego opisu na czym ta metoda
4
miałaby polegać, jaki konkretnie zakres badań przy jakich założeniach należy przeprowadzić i to
co najważniejsze, jakie kryteria fotelik dla zdefiniowanych badań powinien spełniać?
Ponadto cel kojarzy się z metodami optymalizacji, w tym przypadku zmniejszeniem
obciążeń działających na ciało dziecka podczas wypadków drogowych. Czynniki, które o tym
decydują to przede wszystkim fotelik jego geometria, materiał i sposób mocowania, jak również
pasy bezpieczeństwa ich geometria, mocowanie i rodzaj materiału. Przy czym geometria fotelika
to nie tylko zagłówek. Kształt siedziska i oparcie ma również istotne dla wyników badań
znaczenie. W pracy jedynie część czynników była analizowana. Dlaczego Doktorant wybrał
spośród wymienionych kilka czynników, jaka była tego przesłanka? Jak metoda zaproponowana
przez Doktoranta ma się do wytycznych homologacji fotelików wg. Regulaminu 44 EKG ONZ?
Uwagi szczegółowe:
 Str. 11 - rys.1.2 przedstawia wypadki z udziałem dzieci w wieku 0-6 lat, można odnieść
wrażenie, że wśród kierowców są juz dzieci w tym wieku.
 Wykresy w próbach rozciągania w rozdziale drugim prezentowane są na wykresach, gdzie na
osi rzędnych opisane są naprężenia inżynierskie, w zupełności wystarczy opisać "naprężenia".
 W rozdziale trzecim występuje niekonsekwencja w oznaczeniach osi układu związanego
z fotelikiem osie x i y na rysunkach 3.16 oraz 3.26.
 Mam pewne wątpliwości w przypadku rys.3.18 czy pod działaniem siły (jak na rysunku)
i w wyniku przesunięcia stempla o 150mm rozstaw punktów zaznaczonych na rysunku zmienił
się o około 100mm?
 Co konkretnie przedstawiają rysunki: od 3.27 do 3.30. Rozstaw między innymi punktami
pokazuje rysunek na czerwono, natomiast co innego przedstawia wykres. Czy z rysunku
wynika również plastyczny charakter odkształceń fotelika?
 Czy Doktorant walidację modelu manekina Q3 oparł jedynie na przesłankach wynikających
z jego komercyjnej wersji?
 Str. 101 proponowałbym używać terminu kończyna dolna w zastępstwie potocznie używanego
przez Doktoranta określenia "noga".
 Rys. 5.29 co na rysunku należy rozumieć jako wymuszenia kinematyczne?
 Jakie warunki symulacji (jakie wymuszenia) zastosowano dla symulacji w rozdziale 5.4.1?
 W rozdziale piątym weryfikację modelu dziecka na foteliku (rys.5.31-5.36) przeprowadzono
zgodnie z przypadkiem nr. 1 (rys.5.38). W tym miejscu pokazane zostały przebiegi dla
szerokiego zagłówka. Natomiast wyniki prezentowane na rysunkach 5.40, 5.41, 5.44, 5.46,
5.47 wskazują te same przebiegi jako zgodne z przypadkiem nr. 3 czyli z "cienkim
zagłówkiem", gdzie zatem wystąpił błąd?
 W pracy Doktorant słusznie zastosował Hed Injury Criterion HIC36, a nie HIC15 bardziej
odpowiedni dla wysokoenergetycznych wymuszeń, niemniej jednak o wyniku istotnie
decyduje wybór przedziału czasowego w którym liczona jest wartość kryterium. Tabela 40 jak
również 41 wskazuje na duże różnice HIC w analizowanych przypadkach szczególnie nr1i 3. 219 do 161 oraz 219 do 156. Z wykresów przebiegów przyspieszeń ta różnica wydaje się nie
tak istotna.
Uwagi krytyczne nie umniejszają osiągnięć Autora, często mają charakter dyskusji naukowej.
Ponadto należy stwierdzić, że praca została zredagowana niezwykle starannie i zgodnie
z zasadami przygotowania rozpraw o charakterze naukowym. Szczególnie wyróżnić należy
5
szeroki zakres prac badawczych oraz dojrzałą dyskusje naukową jaką Doktorant przeprowadziła w
pracy.
4.
Wniosek końcowy
Doktorant w ramach pracy zrealizował unikatowe w skali kraju badania modelowe poparte
cennym eksperymentem. Ze względu na szeroki zakres obejmowanej tematyki, praca doktorska
wnosi nowe walory poznawcze i utylitarne.
Bardzo wysoko oceniam dojrzałość naukową Doktoranta, szczególnie co do umiejętności
realizacji i wyboru kierunków prowadzonych badań, szczególnie w tak trudnych zagadnieniach
jak biomechaniczne aspekty urazów u dzieci jako konsekwencje wypadków drogowych.
Doktorant wykazała się umiejętnością właściwego przygotowania warsztatu naukowego,
przeprowadził badania poprzez eksperyment z wykorzystaniem nowoczesnej aparatury badawczej.
Zatem uważam, że przedłożona do oceny rozprawa doktorska Pana mgra inż. Artura
Muszyńskiego zatytułowana „Modelowanie i badania fotelika bezpieczeństwa w aspekcie
zmniejszenia obciążeń dynamicznych działających na ciało dziecka podczas wypadku
drogowego” odpowiada w pełni wymogom stawianym pracom doktorskim w myśl ustawy i na tej
podstawie stawiam wniosek Wysokiej Radzie Wydziału Mechanicznego Wojskowej Akademii
Technicznej o dopuszczenie jej do publicznej obrony.
Ponadto z uwagi na wyżej wymienione walory pracy oraz fakt, iż Doktorant wykazała się
wiedzą i doświadczeniem znacznie wykraczającym poza standardowe kryteria stawiam Wysokiej
Radzie wniosek o wyróżnienie pracy.
Recenzent
6

Podobne dokumenty