Thor Development

Thor Development and Application 

1

Briefing Agenda • • • • • • •

Motivating Factors in Thor Development Pre­ Thor Development Efforts Thor Design & Component Performance  Field Test and Evaluation Results Summary­ Anticipated Benefits and Capabilities  Ongoing Development Activities Hardware Demonstration

2

Motivating Factors in Thor  Development • Emergence of sophisticated restraint design and occupant  protection hardware and strategies • 20+ years of new anthropometric and biomechanical  response data • Changing injury patterns and priorities • Availability of improved injury assessment formulations • Hybrid III design dates to 1976

3

Pre­Thor Development  Efforts • UK Activities­ 1970’s • NHTSA Efforts: – Advanced Frontal ATD­ Concept Definition Study  – Anthropometry of Vehicle Seated Occupants – TAD­50M Development – Exploration of New Neck and Lower Extremity Concepts ■

Participants:   NHTSA R&D, UMTRI, FTSS, SAE Task Forces, GM  Research, ASTC, Wayne State University 

4

Prior Art In ATD  Thorax Design (1969­77) Searle, Warner, et al (UK)  

5

Comparative  Human and  Hybrid III  Skeletal  Structure Shoulder  Belt Hybrid III  Dummy  Rib Cage 3 inches

6

Hybrid III Shoulders, Lower  Ribcage, and Abdomen Detail

7

Frontal Thorax/ Abdomen

Aorta Lung Lung Liver Gall Bladder

Heart Rib Cage Spleen Stomach Colon Intestine

8

9

NHTSA/ UMTRI  Anthropometry Study

10

TAD ­ 50M (1992)  NHTSA/ UMTRI/ FTSS/ GMR

11

TAD ­ 50M:  Four Point 3D Thorax  Deflection Measurement  12

TAD – 50 M Comparative Thorax X­Y Deflection Plots Right

Left

T=120

T=80

29

Three­Point Belt

39

X Displacement (mm)

X Displacement (mm)

Air Bag/Lap Belt

Left

T=120

39

Right

T=0, 40 29

39 Y Displacement (mm)

TAD Test 489 Air Bag/Lap Belt, 48 Kph –  Lower Sensors (Top View)

TAD Test 475 Three­Point Belt, 48 Kph –  Sternal Sensors (Top View) X Displacement (mm)

X Displacement (mm)

T=120

T=40

Y Displacement (mm)

TAD Test 478 Air Bag/Lap Belt, 48 Kph –  Sternal Sensors (Top View) T=80

Right

T=80

29

Y Displacement (mm)

Left

T=0

Left

Right

T=0

T=120 T=40 29

T=80 39 Y Displacement (mm)

TAD Test 475 Three­Point Belt, 48 Kph –  Lower Sensors (Top View) 13

Left

29

T=0

Right

T=120

T=40

T=80 39 Y Displacement (mm)

X Displacement (mm)

TAD Test 475 Three­Point Belt, 48 Kph –  Sternal Sensors (Top View) Left

Right

T=0

T=120T=40 29

T=80 39 Y Displacement (mm)

TAD Test 475 Three­Point Belt, 48 Kph –  Lower Sensors (Top View)

X Displacement (mm)

Three­Point Belt

Two­Point Belt/Bolster Left

Right

T=40 29

T=120 T=80

39

Y Displacement (mm)

TAD Test 477 Two­Point Belt/Knee Bolster,  48 Kph – Sternal Sensors (Top View) X Displacement (mm)

X Displacement (mm)

TAD – 50 M Comparative Thorax X­Y Deflection Plots (Cont’d)

29

Left T=0 T=40 T=120

Right

T=80 39

Y Displacement (mm)

TAD Test 477 Two­Point Belt/Knee Bolster,  48 Kph – Lower Sensors (Top View) 14

15

Thor Development • 1994­1999  NHTSA/ GESAC Inc. – Scope of Development: ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■

Refine TAD­50M Thorax and Instrumentation New Instrumented Face New Multidirectional Neck New Instrumented Abdomen Revised Pelvic Segmentation and Instrumentation Revised Femur and Tibia New Foot/ Ankle and Instrumentation On­Board DAS Feasibility 16

Head/ Face

• Head Biofidelity 1975]

[Hodgson, 

– head drop (same as Hybrid  III)

• Face Impact [Melvin, 1989]

– 6.7 m/s distributed impact – 3.6 m/s rod impact

17

Head/ Face 1/8" THK FACE SKIN

• Design Features

– modified Melvin head/face – measures load at 5 locations  on face – reusable material (Confor  foam)

FACE LOAD CELL (5 PLCS) SILICONE RUBBER BLUE CONFOR FOAM COMPRESSED 20% 18

Neck

• Biofidelity [Wismans, 1983,87]

– head trajectory – total moment at O.C. – frontal flexion ■

15 G & 8 G

– lateral flexion ■

7 G

19

Neck SPRING HOUSINGS REAR

FRONT LOAD CELL

– front & rear spring  assemblies

UPPER NECK LOAD CELL FRONT CABLE

■

REAR CABLE ALUMINUM DISKS

SAFETY CABLE RUBBER PUCKS FLEXION STOP

• Design Features

models passive musculature

– neck column of alternating  rubber & aluminum plates – elliptical cross section

EXTENSION STOPS

LOWER NECK LOAD CELL

20

Neck SPRING HOUSINGS REAR

FRONT LOAD CELL UPPER NECK LOAD CELL FRONT CABLE

REAR CABLE ALUMINUM DISKS

SAFETY CABLE RUBBER PUCKS FLEXION STOP

• Instrumentation

– 6­axis load cells in upper &  lower neck – load cells in front & rear  springs – rotary pot at O.C. to measure  head rotation

EXTENSION STOPS

LOWER NECK LOAD CELL

21

Thorax

• Biofidelity

– sternal impact  [Neathery, 1974] ■ 4.3 m/s & 6.7 m/s

– lower ribcage impact [Yoganandan, 1997] ■ oblique at 4.3 m/s

22

Thorax

• Design Features

– human­like shape ■ ■

seven slanted & elliptical ribs lower rib dimensions  gradually increase

– ribs proven to be very  durable 

23

Thorax

• Instrumentation

– triaxial accelerometers at  C.G. – Crux units ■ ■

3­D deflections at four locations at front of      ribcage

– 5­axis load cell near T12

24

Shoulder

• Biofidelity

– allows greater mobility in  fore/aft motion – allows some degree of shrug  motion

25

Shoulder

• Design Features

– four­bar linkage design  ■ ■

allows fore/aft movement limited shrug movement

– human­like clavicle ■

for more realistic belt  interaction

– shoulder pads

26

Spine

• Biofidelity

– only limited static information – improves overall flexibility – replicate various human  seating postures [Reynolds, 1996]

27

Spine

UPPER THORACIC WELDMENT

LOWER THORACIC WELDMENT

NECK PITCH CHANGE MECHANISM

UPPER THORACIC FLEX JOINT

LOWER THORACIC PITCH CHANGE MECHANISM LOAD CELL ADAPTOR PLATE

• Design Features

– flexible elements at upper  thoracic spine (T7/T8) – flexible element at lumbar  spine   (L2/L3) – pitch change mechanism

T12 TRIAXIAL COVER LUMBAR FLEX JOINT PELVIS / LUMBAR MOUNTING BLOCK

28

Spine

• Instrumentation

T1 TRIAXIAL ACCELEROMETER NECK TILT SENSOR ASSEMBLY

THORACIC SPINE LOAD CELL

T12 TRIAXIAL ACCELEROMETER & MOUNTING BRACKET

LOWER THORACIC SPINE TILT SENSOR ASSEMBLY

– triaxial accelerometers at T1  and T12 – 5­axis load cell below T12

LUMBAR SPINE TILT SENSOR ASSEMBLY

PELVIC TILT SENSOR ASSEMBLY

29

Abdomen

• Biofidelity

– lower abdomen impacts at 6  m/s [Cavanaugh, 1986]

– upper abdomen impact [Nusholtz, 1994]

30

Abdomen

STRING POTENTIOMETER UPPER ABDOMEN UNIAXIAL ACCELEROMETER

DGSP UNIT

• Design Features

– divided into upper & lower  abdomens – upper abdomen tied to lower  three ribs – additional “pie” piece for use  with erect postures

LOWER ABDOMEN

31

Abdomen

STRING POTENTIOMETER UPPER ABDOMEN UNIAXIAL ACCELEROMETER

• Instrumentation – Upper abdomen ■ ■

DGSP UNIT

stringpot uniaxial accelerometer

– Lower abdomen ■

right and left DGSP units  measure 3­D deflections 

LOWER ABDOMEN

32

Pelvis

• Biofidelity

– based on average 50th  percentile male data 

[Reynolds, 1982] ■ models iliac spine, posterior  spine, D­point

– flesh/skin has human­like  force­deflection  characteristics

33

Pelvis

• Instrumentation

– right and left 3­axis  acetabular load cells ■

measure magnitude and  direction of femur loading

– iliac load buttons ■

capture submarining  information

34

Femur

• Biofidelity

– axial impact at knee [Horsch,  1986]

• Design Features

– can mate with HIII pelvis – compliant element in femur – uses HIII knee

35

Lower Leg/ Ankle/ Foot

• Biofidelity

[Crandall, 1996]

– Anthropometry – Axial load through heel – Ankle ■

■ ■

static dorsiflexion &  plantarflexion static inversion & eversion dynamic dorsiflexion

36

Lower Leg/ Ankle/ Foot

• Design Features HYBRID III KNEE ASSEMBLY

ACHILLES ASSEMBLY

KNEE BUMPER TIBIA GUARD

TIBIA SKIN ANKLE ASSEMBLY

– separate joints for xflexion  and xversion – Achilles spring/ cable – carbon fiber foot – continuously increasing joint  resistance

FOOT ASSEMBLY & SKIN

37

Lower leg/ Ankle/ Foot

UPPER TIBIA LOAD CELL (Fx, Fz, Mx, My)

ACHILLES SPRING LOAD CELL

TRIAXIAL ACCELEROMETER

LOWER TIBIA LOAD CELL (Fx, Fz, Mx, My)

ANKLE ROTATION MEASUREMENT ( X, Y, Z )

• Instrumentation

– Upper & lower tibia 4­axis  load cells – tibia & foot triax  accelerometers – rotary pots for X, Y, Z axis  motion – Achilles’ load cell

TRIAXIAL ACCELEROMETER

38

Thor Test & Evaluation Partners •

Europe  ■

 Volvo Car, Saab, Autoliv Research AB

 Renault  – EEVC/ ADRIA: ■  Transport Research Laboratory ■  TNO ■  Polytechnic University of Madrid

•

Asia/ Pacific ■

■

•

■

■

JAMA/ Japan Automobile Research  Institute Federal Office of  Road Safety  (Australia) Autoliv Australia

North America ■ ■ ■ ■ ■ ■

 Transport Canada  USCAR (GM, Ford, Daimler­Chrysler)     Honda Research of America  University of Virginia  U.S. Federal Aviation Administration  U.S. Department of Defense 

39

Test Configuration Summary • Sled Test Configurations (~ 150 tests) – – – –

impact speeds: 48 kph to 64 kph decelerations: 16 G to >30 G impact direction: longitudinal, rear, oblique  restraint systems:  ■ ■

belt and air bag combinations standard & force­limiting belts

• Vehicle Test Configurations (~ 15 tests) – full frontal at 56 kph (U.S. NCAP)  – offset deformable barrier at 64 kph

40

Thor Capabilities­ Examples

• • • • • •

Evaluate head strike potential Discriminate between restraint systems Evaluate OOP situations Assess abdominal intrusion Measure pelvic loads and injury potential Evaluate tibia/ ankle/ foot response and injury  potential 41

Evaluate Head Trajectory

• Allows for human­like  head motion • Biofidelity in head  trajectory in 15 G frontal  head/neck sled tests

42

Evaluate Head Trajectory

• Biofidelic head trajectory  means Thor can be used  for evaluating likelihood  of head strike against  vehicle panels.

43

Biofidelic Head/ Neck Response

• Instrumentation allows  for calculation of total  moment about O.C. • Moment­angle response  falls within Mertz corridor

44

Evaluate Restraint Systems

• New measurement  system allows evaluation  of X­Y deflection data of  thorax. • Data can be used to  discriminate between  bag­like and belt­like  environments.

45

Evaluate Restraint Systems

• Evaluate influence of bag and belt loading  sequence. • Can be used to optimize sequencing to improve  efficiency of force­limiting belts.

46

Evaluate Restraint Systems

– Shows a system with  early belt  engagement – Response is belt­like – Shows reduction in  chest deflection

47

Evaluate Restraint Systems

– shows response from  early bag engagement – response is bag­like – small reduction in chest  deflection

48

Evaluate Lower Thoracic Injury

• Greater flexibility of lower  ribcage and  measurement capability  in this region allows Thor  to pickup likelihood of  damage to internal  organs in this area. 

49

Evaluate Abdomen Intrusion

• New abdomen deflection  instrumentation and  human­like abdomen  response can track  abdomen intrusion in  time.

50

Evaluate OOP Tests

• New Crux system  responds correctly to  high speed thoracic  impacts at 10 m/s and  greater. • Can be used for  evaluating OOP  response.

51

Thor­Lx Advanced Lower Extremity 

• Cooperative design and fabrication under NHTSA R&D direction by GESAC and ASTC • Extensive biomechanical benchmarking during development: UVa, TRL (UK), Renault • Completed and ongoing sled and full vehicle testing, including NCAP and IIHStype offset testing: GM, Ford, JARI/JAMA, Honda Research of America

52

Thor­Lx: Tibia Fz vs. Time  (ASL, Univ. of Virginia)

0

Force (N)

-500 -1000 -1500 -2000

Pendulum tests

-2500 -3000 0

25

50

75

100

125

150

Time (msec) Cadaver

Thor-Lx 53

Thor­Lx: Right Tibia Fz Response  Honda Full Vehicle Tests

5000

Force (N)

4000 3000 2000 1000 0 -1000 0

20

40

60

80

100

120

140

160

Time (msec) Frontal

ODB 54

Thor­Lx: Right Ankle Angular Response  Dorsi­Plantar Flexion  Honda Full Vehicle Tests

Angle (Degree)

50 40 30 20 10 0 -10 0

20

40

60

80

100

120

140

160

Time (msec) Frontal

ODB 55

Thor­Lx: Ankle X ­ Y Response

Y Rot. (Deg)---->Dorsiflexion

Honda Frontal Full Vehicle Tests

50 40 30 20 10 0 -10 -5

0

5

10

15

20

25

Eversion<----X Rot.(Deg)---->Inversion Left

Right 56

Comparison: Right Tibia Fz Response Honda Full Vehicle Frontal Tests

5000

Force (N)

4000 3000 2000 1000 0 -1000 0

20

40

60

80

100

120

140

160

Time (msec) Thor-Lx

HIII 57

Recap­Anticipated Safety Benefits • Frontal, frontal offset, frontal oblique, OOP

Bag/belt performance optimization Improved head strike assessment Face contact detection and injury assessment  Detection of abdomen interaction with bag, belt, and wheel  rim  – Improved hip joint injury assessment – Advanced ankle/ foot injury assessment – – – –

58

Additional Thor Benefits & Features 

■ ■ ■

Realistic “seatprint”­ buttocks to seat interface Submarining detection features Assessment of influence of occupant posture on restraint  performance

59

Future Products Thor FE model (in LS Dyna) ■ On­board DAS ■ Small female Thor design (with on­board DAS) ■ Lower extremity design with pre­bracing  capability  ■ Instrumentation development and enhancements ■ Treatments for compatibility with anticipated  occupant ranging and classification technologies    ■

 

60

Release of Thor  Documentation • To be released to the public domain early in 2000: – – – –

CAD drawings User manuals Final reports Test and evaluation summaries 

61

62