模擬有助於 NASCAR 評估競賽期間 SAFER 護欄的影響

這是「請問工程師」部落格系列文章的第一篇。瞭解 Ansys 如何協助 NASCAR 工程師改善護欄安全性。

在改裝賽車的世界中，車手的策略可能會意外地迫使其他人退賽。這正是 10 月在 Talladega 賽道發生的情況，Alex Bowman 的猛烈推擠導致 Ryan Blaney 在比賽的後期撞車。

這次的推擠使得 Blaney 的汽車衝向 SAFER (steel and foam energy reduction，鋼材與泡棉減震) 護欄，進而危及他爭奪 2024 冠軍的機會。平均來說，NASCAR 賽車的時速有可能達到 190 至 200 英里，然而 Blaney 卻成功地擺脫險境，這都要歸功於環繞賽道內側與外側的救命護欄。

這是運氣，是工程，還是兩者皆有？在此案例和其他狀況中，SAFER 護欄 (也稱為軟牆) 發揮了決定性的作用。

將結構鋼管垂直堆疊並焊接成 8 平方英吋，進而構成長 20 英尺以上、高 40 英吋的板面，這就是 SAFER 護欄。內部鋼板接頭會將它們連接在一起，建立一個連續的牆，且通常會放置於混凝土屏障前面。繫帶的功能則是將 SAFER 和其後的混凝土牆固定在一起。接著，為了達到減震效果，將梯形泡棉塊放在混凝土屏障和鋼板之間。

幾年前，我們根據汽車中的黑箱資料執行統計研究。我們收集長達約 10 年的資料，瞭解在不同系列賽中達到撞擊標準的碰撞事件數量。為了公平，我們選擇查看每英里賽道的撞車次數，因為賽事長度可能會是 250 英里或 600 英里長。接著是賽道的規格和配置，以及其他需要考量的事項。

根據資料，當我們查看這段時間內的全職 NASCAR 駕駛時，他們每英里的碰撞次數比日常駕駛的碰撞次數多 134 倍。然而，這些駕駛在每次碰撞中所經歷的傷害卻少了九倍以上。因此，他們更頻繁地碰撞，但比每次碰撞的傷害要低得多。

SAFER 護欄如何支援 NASCAR 的整體安全策略？

Patalak：SAFER 護欄是 NASCAR 多元安全策略不可或缺的一部分，我們的安全策略包括碰撞資料的黑箱、駕駛的避震工具 (包括全罩式安全帽、頭頸支撐 (HANS) 裝置、改良過的安全帶和座椅)，以及堅固耐用的車輛設計。SAFER 護欄能夠有效減緩車輛撞上牆面的衝擊力道。

SAFER 護欄系統實際上是由內布拉斯加大學林肯分校 (UNL) 在中西部道路安全設施 (MwRSF) 開發的，並得到 IndyCar 和 NASCAR 的支援和資助。LS-DYNA 軟體的功能是根據車輛質量及其衝撞牆體的速度改良或微調護欄。一段時間以來，我們仍在使用 LS-DYNA 軟體，試圖改進整體設計。

當賽車撞到 SAFER 護欄時，會發生什麼事？

Patalak：舉例來說，假設一輛賽車以時速 150 英里的速度接近牆面。無論牆壁是混凝土還是 SAFER 屏障，速度都是相同的。當車輛撞到牆壁時，就會開始減速。當車輛離開牆面時，速度改變了，假設現在變成時速 100 英里。在混凝土牆和 SAFER 護欄的碰撞過程中，車輛改變的速度必然是相同的，在這個例子也就是減少 50 英里的時速。

SAFER 護欄會在遭到撞擊後移位，正如車子會在碰撞後移位，這就是 SAFER 護欄如此有效的原因。在這兩種情況下，速度變化的時間都會增加，因此車輛每小時變化 50 英里的時間會比撞擊不會移位的混凝土牆的時間要長。碰撞期間的車輛加速度會直接影響施加於駕駛身體的力度。SAFER 護欄可以拉長撞擊時速度變換的時間，進而有效減少車輛和駕駛的峰值加速度。加速度越低，施加於駕駛身體的力道就越小。

LS-DYNA 軟體如何改善護欄設計？

Patalak：我們使用 LS-DYNA 軟體來研究更安全的護欄，以及將其如何安裝在賽道。我們偶爾會在週末舉辦比賽，使用與其他系列賽相同的賽道。其他系列賽的車輛可能比 NASCAR 的車輛輕得多，或行駛速度更快，因此對 SAFER 護欄的衝擊條件與 NASCAR 車輛大不相同。

去年，我們使用 LS-DYNA 軟體研究不同速度的各種衝擊角度，目的是軟化壁面並盡可能地使其移位。我們與 Elemance LLC 和 UNL MwRSF 合作，首次在洛杉磯紀念體育館執行這項分析，為本賽季其中一場在該體育館舉辦的開幕賽事 NASCAR Busch Light Clash 做準備。

該賽事的賽道較短，速度也較慢。分析衝擊角度後，我們就能移除 SAFER 護欄內每隔一塊的泡棉塊，從而在不必執行昂貴的實體測試的情況下改良 SAFER 護欄。

您可以分享在您工作中使用 LS-DYNA 軟體的一些好處嗎？

Patalak：根據我們獲得的模擬資料，使用該軟體的信心水準相當高。我們可以開始研究過往測試成本高昂的其他問題，例如改變泡棉塊的間距。如果沒有 LS-DYNA 軟體，我們就無法確定這種測試的成本是否合理，因為我們無法確定會得到什麼結果，也不知道這計畫是否值得。然而，在模擬環境中，就可以用更少的成本執行該評估。

LS-DYNA 軟體可讓我們探索並瞭解有哪些重要因素，以及哪些因素真的會影響屏障設計。在某些情況下，我們會執行實體碰撞測試，以檢核實與驗證我們的結果。就某些計畫來說，我們的信心水準相當高，無需執行實體測試即可繼續。例如，在未經實體測試的狀況下，我們去年在洛杉磯紀念體育場變更泡棉塊的間距。

您如何利用 LS-DYNA 軟體中的虛擬人體模型重建賽道碰撞，防止頭部受傷呢？

Patalak：通常，我們會從人體模型開始，因為賽車中會有人類駕駛員參與。在許多情況下，駕駛會佩戴口部感應器以記錄頭部的加速度和旋轉速度。NASCAR 與威克森林大學損傷生物力學中心以及威克醫學院生醫工程團隊合作，推出這種能夠捕捉賽道上駕駛頭部運動的口部感應器。我們會查看這些結果，然後套用在人體模型上，確保預測結果基本上與實證結果相同。

一旦我們密切符合這些數據，就可以開始調整安全帽貼合度、安全帽材質、座椅硬度以及頭頸固定繫繩長度等項目。我們會利用工程直覺和我們所受的教育，以及物理定律，開始回答一些基本的設計問題。例如，如果我們修改頭部泡棉的硬度，是否可以降低駕駛的頭部加速度？

我們將反覆測試不同的版本，並用這種方式研究。以上工作都是在虛擬建模環境中完成。如果我們發現某項設計調整或版本有益處，就會進而予以實證，接著才會在固定系統中實施任何實質變更。

考慮到您多年來在 NASCAR 的工作，SAFER 護欄有多重要？

Patalak：自賽道首次採用 SAFER 護欄以來，大約已過了 20 年。今天，我會將這項技術納入我在賽車安全改善方面的五大熱門項目中。事實上，當時在內布拉斯加大學領導 SAFER 護欄團隊的 Dean Sicking 博士已經於今年二月加入 NASCAR 名人堂。

這是一項里程碑式的成就。如果將這項技術與混凝土相較，就會發現車輛的峰值加速度會降低 30％ 至 80％。這是目前的一大進步。如今，我們仍在使用 LS-DYNA 軟體試圖將該數值拉高 5%，因為該工具現在更精細，也更準確。

我們要感謝 John Patalak 對本部落格系列文章的貢獻。如果您想瞭解更多資訊，請務必閱讀我們的部落格，深入瞭解 NASCAR 在 LS-DYNA 軟體中使用人體模型大幅減少賽道受傷狀況的方式。

進一步瞭解 LS-DYNA 軟體。