16
Abstract The goal of this study is to develop a fullbody human Finite Element (FE) model with the enhanced biofidelity and the numerical robustness necessary for use in dynamic car–pedestrian accident reconstructions in various impact scenarios. An FE model for the pelvis and lower limbs in a standing position developed in our past study was combined with FE models for bones and ligaments in the upper body taken from an occupant model. The biofidelity of the combined model was further enhanced and validated against experiments. Each body region of the fullbody model was validated in multiple loading conditions, including neck bending, thoracic impact, isolated pelvis impact, thigh and leg bending, knee bending, knee ligament tension, and ankle joint rotation. The fullbody model was subjected to lateral and frontal impacts at 70 km/h against a simplified car model representing a stiff frontend structure, showing that the model is robust enough to simulate high speed impacts in different pedestrian orientations. Keywords biofidelity, human model, pedestrian, numerical robustness I. INTRODUCTION Crash simulations using a human Finite Element (FE) model representing a pedestrian in multiple car– pedestrian accident scenarios are one of the most effective means to investigate car–pedestrian interaction, quantify dynamic loadings to the pedestrian and predict probability of fatality or injury. This process is essential to evaluate realworld relevance of pedestrian safety technologies, including active and passive safety measures. The currently used subsystem test procedure to evaluate pedestrian passive safety performance was originally developed by the European Enhanced Vehiclesafety Committee (EEVC) [1] and essentially assumes lateral impact of a car to a pedestrian at 40 km/h. Due to the representation of pedestrian accidents with particular impact scenarios, it is not possible to accurately estimate the realworld effectiveness of passive safety measures evaluated by such a test procedure based solely on the test results. It needs to be investigated against various impact configurations seen in actual car–pedestrian accidents in order to predict reduction in pedestrian fatalities and casualties expected to be provided by the measure in realworld accidents. The recent advancement of active safety technologies would change the distribution of impact speeds as a result of the activation of systems for crash avoidance. The prediction of the combined effect of both active and passive safety measures on the reduction of pedestrian fatalities and casualties also requires prediction of car– pedestrian interactions at various impact configurations. Fredrikson et al. [2] investigated 54 pedestrian accidents from the German Indepth Accident Study (GIDAS) database, occurring from 1999 to 2008 and with AIS3+ head injuries, and estimated isolated and combined effects of specific active and passive safety measures on head injury mitigation. The study used a particular function between the impact speed and the probability of AIS3+ head injury to estimate the effect of the measures, which assumes that the injury probability is solely dependent on the impact speed. This assumption may not apply if the impact speed distribution is significantly different between urban and rural areas where the distribution of car–pedestrian impact configurations would be significantly different. These issues can be taken into consideration when all the different impact configurations in the realworld accidents are dynamically reproduced by car–pedestrian impact simulations using a human model. Accurate predictions of the probability of injuries in multiple accident scenarios by means of impact simulations using a human FE model would require the biofidelity of the human model. The Global Human Body Models Consortium has developed a detailed and extensively validated human FE model for a seated occupant Y. Takahashi is Chief Engineer (tel: +81286773311, fax: +81286777500, email: [email protected]), H. Asanuma is Engineer and T. Yanaoka is Assistant Chief Engineer at Honda R&D Co., Ltd. Automobile R&D Center, Japan. Development of a FullBody Human FE Model for Pedestrian Crash Reconstructions Yukou Takahashi, Hiroyuki Asanuma, Toshiyuki Yanaoka IRC-15-63 IRCOBI Conference 2015 - 530 -

Development of a Full Body FE for Reconstructions - IRCOBIolid materi ents; ACL a e knee join pressive loa dled by the not bear c hose repre ar elements riginal mod L/aPCL, post sented

  • Upload
    others

  • View
    1

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Development of a Full Body FE for Reconstructions - IRCOBIolid materi ents; ACL a e knee join pressive loa dled by the not bear c hose repre ar elements riginal mod L/aPCL, post sented

Abstract  The  goal  of  this  study  is  to  develop  a  full‐body  human  Finite  Element  (FE)  model  with  the 

enhanced  biofidelity  and  the  numerical  robustness  necessary  for  use  in  dynamic  car–pedestrian  accident 

reconstructions  in various  impact scenarios. An FE model for the pelvis and  lower  limbs  in a standing position 

developed  in our past study was combined with FE models  for bones and  ligaments  in the upper body  taken 

from an occupant model. The biofidelity of  the combined model was  further enhanced and validated against 

experiments. Each body  region of  the  full‐body model was validated  in multiple  loading conditions,  including 

neck  bending,  thoracic  impact,  isolated  pelvis  impact,  thigh  and  leg  bending,  knee  bending,  knee  ligament 

tension, and ankle joint rotation. The full‐body model was subjected to  lateral and frontal  impacts at 70 km/h 

against a simplified car model representing a stiff front‐end structure, showing that the model is robust enough 

to simulate high speed impacts in different pedestrian orientations. 

Keywords  biofidelity, human model, pedestrian, numerical robustness 

I. INTRODUCTION 

Crash  simulations  using  a  human  Finite  Element  (FE) model  representing  a  pedestrian  in multiple  car–

pedestrian accident  scenarios are one of  the most effective means  to  investigate car–pedestrian  interaction, 

quantify dynamic loadings to the pedestrian and predict probability of fatality or injury. This process is essential 

to  evaluate  real‐world  relevance  of  pedestrian  safety  technologies,  including  active  and  passive  safety 

measures. The currently used subsystem test procedure to evaluate pedestrian passive safety performance was 

originally developed by  the European Enhanced Vehicle‐safety Committee  (EEVC)  [1] and essentially assumes 

lateral  impact  of  a  car  to  a  pedestrian  at  40  km/h. Due  to  the  representation  of  pedestrian  accidents with 

particular  impact  scenarios,  it  is  not  possible  to  accurately  estimate  the  real‐world  effectiveness  of  passive 

safety measures evaluated by such a test procedure based solely on the test results. It needs to be investigated 

against various  impact configurations seen  in actual car–pedestrian accidents  in order  to predict reduction  in 

pedestrian fatalities and casualties expected to be provided by the measure in real‐world accidents. The recent 

advancement of active safety  technologies would change  the distribution of  impact speeds as a  result of  the 

activation of  systems  for  crash avoidance. The prediction of  the  combined effect of both active and passive 

safety  measures  on  the  reduction  of  pedestrian  fatalities  and  casualties  also  requires  prediction  of  car–

pedestrian  interactions  at  various  impact  configurations.  Fredrikson  et  al.  [2]  investigated  54  pedestrian 

accidents from the German  In‐depth Accident Study (GIDAS) database, occurring from 1999 to 2008 and with 

AIS3+ head injuries, and estimated isolated and combined effects of specific active and passive safety measures 

on head injury mitigation. The study used a particular function between the impact speed and the probability of 

AIS3+ head  injury  to estimate  the effect of  the measures, which assumes  that  the  injury probability  is  solely 

dependent on the impact speed. This assumption may not apply if the impact speed distribution is significantly 

different between urban and rural areas where the distribution of car–pedestrian impact configurations would 

be  significantly  different.  These  issues  can  be  taken  into  consideration  when  all  the  different  impact 

configurations  in  the  real‐world  accidents  are dynamically  reproduced by  car–pedestrian  impact  simulations 

using a human model. 

Accurate  predictions  of  the  probability  of  injuries  in  multiple  accident  scenarios  by  means  of  impact 

simulations using a human FE model would require the biofidelity of the human model. The Global Human Body 

Models Consortium has developed a detailed and extensively validated human FE model for a seated occupant 

Y. Takahashi is Chief Engineer (tel: +81‐28‐677‐3311, fax: +81‐28‐677‐7500, e‐mail: [email protected]), H. Asanuma is Engineer and T. Yanaoka is Assistant Chief Engineer at Honda R&D Co., Ltd. Automobile R&D Center, Japan.

Development of a Full‐Body Human FE Model for Pedestrian Crash Reconstructions 

Yukou Takahashi, Hiroyuki Asanuma, Toshiyuki Yanaoka 

IRC-15-63 IRCOBI Conference 2015

- 530 -

Page 2: Development of a Full Body FE for Reconstructions - IRCOBIolid materi ents; ACL a e knee join pressive loa dled by the not bear c hose repre ar elements riginal mod L/aPCL, post sented

by  representing whole‐body  skeletal  and  soft  tissues.  However,  a  detailed  pedestrian model  in  a  standing 

position is still needed to be developed in a future stage [3]. Watanabe et al. [4] developed a full‐body human 

FE model  representing a pedestrian with a primary  focus on brain and  internal organ  injuries. However,  the 

result of 4‐point knee bending validation is the only information provided for the lower limb model validation. 

In a previous study, the authors developed a human FE model with the upper body represented by articulated 

rigid bodies and  the pelvis and  lower  limbs modeled by  finite elements  to  investigate pelvis and  lower  limb 

interactions with a car front‐end structure in car–pedestrian impacts [5‐6]. Since the upper body is modeled by 

articulated  rigid bodies  representing only  the  external  surface,  it was not possible  to predict  injuries  to  the 

upper body such as rib fractures or abdominal injuries. The ankle joint is represented by one single mechanical 

joint element, which would require biofidelity  improvement when ankle joint  injuries are to be predicted. The 

knee model  was  validated  in  pure  (4‐point)  lateral  bending.  Although  the  primary  loading  to  the  knee  in 

pedestrian crashes would be  lateral bending,  the knee  is also subjected  to shear  loading and  thus additional 

validation in combined loading would be needed. The bending response of the lower limb model was validated 

for  individual  long bones (femur, tibia and fibula) and assembly (thigh and  leg). This ensured biofidelic overall 

bending response of the  leg assembly, however the distribution of the  loads transmitted by the tibia and the 

fibula has not been clarified.  In addition  to  the biofidelity  improvement of  the model,  it  is also necessary  to 

make sure that the model is robust enough to survive severe impacts from a car that need to be simulated to 

estimate  real‐world  relevance  of  safety  technologies  by means  of  computer  simulations  of  car–pedestrian 

crashes. 

The goal of the study is to develop a human FE model in a standing position that will ultimately be capable of 

predicting probability of major injuries to a pedestrian whole body in various impact configurations. This study 

developed a  full‐body human FE model  in a  standing position by combining  the FE upper body model  taken 

from  Dokko  et  al.  [7]  with  the  pelvis  and  lower  limb  FE  model  developed  by  the  authors  [5‐6].  Some 

modifications were made  to  the knee,  leg and ankle  for  improved biofidelity. The neck,  thorax, pelvis,  thigh, 

knee,  leg  and  ankle were  validated  against  experimental  data  to  validate  the  components  of  the modified 

full‐body model. The model validation  included 3‐point bending of the knee and the bending response of the 

ankle, which have not been conducted  in former studies [5‐6]. The model was subjected to  lateral and frontal 

impacts from a simplified car model representing a stiff front‐end structure at 70 km/h, in order to evaluate the 

numerical robustness of the model. 

 

II. METHODS 

The combined FE whole body model was  further modified  from  two different viewpoints: one to enhance 

the biofidelity of  the model; and  the other  to  improve  the numerical  robustness of  the model  in high‐speed 

collisions.  The  components  of  the modified model were  re‐validated  against  experimental  data  due  to  the 

modifications made. The 3‐point bending of the knee and the ankle rotation were added to the validation for 

enhanced biofidelity. The numerical robustness of the model was evaluated in lateral and frontal collisions. The 

lateral impact was used to represent the impact configuration most frequently seen in car–pedestrian accidents. 

The  frontal  impact  was  employed  to  investigate  the  effect  of  the  musculature  around  the  knee  on  the 

resistance to hyperextension of the knee. 

 

Full‐body Pedestrian Model 

The  upper  part  of  the  whole  body  human  FE model  in  a  seated  position  developed  by  Dokko  et  al.  [7], 

representing the shape of the rib cage for 35 years old, was combined with the pelvis and lower limb human FE 

model  in a standing position developed by the authors [5‐6] at the T12‐L1  joint. The spine curvature was not 

changed. Both models have been developed in PAM‐CRASH. As opposed to the size of the pelvis model scaled 

to 50th percentile American male [5‐6], the rib cage model was based on CT scans from a particular individual 

[8]. Although the bell‐shaped rib cage of the baseline model can be viewed as part of individual variations, the 

width of the bottom of the rib cage was much larger than the width of the pelvis scaled to 50th percentile male. 

Since  the  protrusion  of  the  bottom  of  the  rib  cage may  predict  unrealistic  rib  fracture mechanism,  it was 

decided to morph the shape of the rib cage to match the contours of the rib cage  in frontal and  lateral views 

IRC-15-63 IRCOBI Conference 2015

- 531 -

Page 3: Development of a Full Body FE for Reconstructions - IRCOBIolid materi ents; ACL a e knee join pressive loa dled by the not bear c hose repre ar elements riginal mod L/aPCL, post sented

pr

m

th

fr

m

w

F

 

M

Fu

fu

 

an

Cr

is 

ge

th

es

sw

te

2.

AC

m

co

th

m

al

de

va

bo

rig

th

ill

M

as

de

va

resented  in 

model in a sta

he biofidelity

om the FE p

model does n

where the dum

Fig. 1. Full‐bo

Model Modifi

urther modif

urther enhan

Biofidelity:

n  isotropic  s

ruciate Ligam

used  for  th

enerate com

he fibers bun

ssentially do

witched  to  t

ension‐only b

. As  in  the o

CL/PCL; aAC

model is repre

ompressive f

he collagen m

modulus of 1.

. [14] and Le

The conne

efined at the

alidated in 3‐

ones may be

gid body con

he  tibiofibula

ustrated in 

MPa estimate

s that used  f

etermined  s

alidation. 

the publishe

anding positi

y of the head

pedestrian du

ot represent

mmy head is

ody FE huma

ication 

fications wer

nce its biofide

: modificatio

solid materi

ments; ACL a

he  knee  join

mpressive loa

ndled by the

o not bear  c

those  repre

bar elements

original mod

L/aPCL, post

esented by s

force genera

matrix  to  th

.6 MPa and t

ewis et al. [15

ection betwe

e proximal an

‐point bendi

e  influenced

nstraints wer

ar  ligaments

Fig. 3. Due t

ed from Bert

for the knee

so  that  biofi

ed  rib  cage 

ion, along w

d of the occu

ummy mode

t the brain, a

s dropped on

an model in a

re made to t

elity and ens

ons were ma

al model  is 

and PCL, Late

nt  capsule. 

ads, which m

e matrix and 

compressive 

senting  the 

s that run alo

del,  the  cruc

terior ACL/PC

shell elemen

ated by this l

e  tensile pro

the Poisson’

5].  

en the tibia 

nd distal end

ng against e

d by  this unr

re eliminated

s  at  the prox

o the lack of

tram et al. [1

e  joint capsu

idelic  load  d

anatomy  fig

ith the comp

pant model 

el developed 

and its accele

nto a rigid su

a standing po

he full‐body

sure numeric

de to the kn

used  for  th

eral Collatera

For  these  re

may result in 

the majority

loads,  the m

property  of

ong the mes

ciate  ligamen

CL; pACL/pP

ts due to the

igament was

operty of a 

s ratio of 0.4

and the fibu

ds of the fibu

xperimental

realistic defi

d, and the in

ximal and d

f informatio

16] was appl

ule was spec

distribution 

gures  [9]. Fig

parison of th

has not bee

 by Takahash

eration respo

urface as des

osition and c

y FE human m

cal robustne

nee, the leg 

hree  out  of 

al Ligament; 

easons,  the 

unrealistic k

y of the load

material pro

f  the  ligame

sh lines of th

nts  are divid

CL). Since th

e small thick

s not signific

ligament,  th

4 were appli

ula of the or

ula. Although

 data, the di

nition of  the

nterosseous 

istal ends w

n on the int

lied to a line

cified. The m

between  th

gure 1 prese

e shape of t

n validated, 

hi et al. [10]

onse has bee

scribed in the

comparison o

model in a st

ss of the mo

and the ank

the  four  kn

LCL). In add

ligaments  a

knee behavi

d is transmit

operties of  t

ent matrix, 

e solid and t

ded  into  ant

he Medial Co

kness, the M

cant. Due to 

he  linear elas

ed by referr

iginal model

h the overall

stribution of

e connection

membrane w

were modele

erosseous m

ear elastic m

material prop

he  tibia  and 

ents  the mod

he rib cage r

the model w

and Shin et 

en validated 

e NHTSA vali

 of original an

anding posit

del in high‐s

le of the mo

ee  ligament

ition, an isot

and  the  join

or. Since the

ted through 

he  solid and

and  the  fib

the shell elem

terior  and po

ollateral Ligam

CL model wa

insignificanc

stic material

ing to Hadjip

 is provided 

response of

f load transm

n between  t

was modeled

d using  tens

membrane, th

aterial mode

perty of the 

the  fibula 

dified  full‐bo

relative to th

was replaced

 al. [11]. The

against the 

dation mate

nd modified 

tion, present

speed impact

odel. In the o

ts  (Anterior 

tropic shell m

nt  capsule  a

ese compone

 the fibrous 

d  the  shell e

bers  were  re

ments, as pr

osterior bun

ment (MCL) 

as unchange

ce of the con

l was used a

panayi et al.

 by a rigid‐b

f the leg com

mission betw

them. For  th

d using shell

sion‐only ba

he elastic m

el, and the s

tibiofibular 

is  obtained 

ody human 

he pelvis. Sin

 with the he

e dummy he

head drop te

erials [12]. 

rib cage. 

ted in Fig. 1,

ts. 

original mod

and  Posteri

material mod

are  allowed 

ents consist 

tissues, whi

elements we

epresented 

esented in F

ndles  (anteri

of the origin

ed because t

ntribution fro

and  the elas

 [12], Susilo 

ody constrai

mplex has be

ween these tw

his  reason,  t

 elements a

ar elements

odulus of 3.

same thickne

ligaments w

in  the mod

FE 

nce 

ad 

ad 

est

to 

el, 

ior 

del 

to 

of 

ch 

ere 

by 

Fig. 

ior 

nal 

he 

om 

tic 

et 

int 

en 

wo 

he 

nd 

as 

35 

ess 

was 

del 

IRC-15-63 IRCOBI Conference 2015

- 532 -

Page 4: Development of a Full Body FE for Reconstructions - IRCOBIolid materi ents; ACL a e knee join pressive loa dled by the not bear c hose repre ar elements riginal mod L/aPCL, post sented

Fi

 

m

un

st

ex

m

bo

de

ta

lig

lig

lig

th

Fi

 

Re

oc

of

us

co

sh

m

di

th

ra

re

sp

m

hi

of

A

ce

in

th

g. 2. Modifie

For simplif

model  focuse

ncommon  in

tructure  of  t

xternal  surfa

modified to in

ottom of the

egrees  of  fr

alocrucal  joi

gaments aro

gament, wer

gament mod

he overall rot

g. 4. Modifie

Numerical 

esearch  and

ccurred at th

f 70 km/h, a

sed to recon

In  the orig

onstraints w

howed the d

model  up  to 

islocation, w

he original m

adiocarpal (w

The  cervic

esponse  cha

pecified betw

motion  of  th

igh‐frequenc

f  injuries  to

lternatively, 

enter of the 

n flexion/exte

he neighbori

ed knee ligam

fication, the 

ed  on  the  le

n pedestrian 

the modified

ace of  the  fo

ncorporate t

e  leg and the

reedom  (DO

nt,  and  the

ound the ank

re represent

dels was take

tational resp

ed ankle join

robustness

d Data Analy

he car travel 

t which the 

struct the en

ginal model, 

without  speci

islocation of

70  km/h,  it

which was  fo

model were u

wrist) joint or

cal,  thoracic 

racteristics 

ween each p

he  vertebra

cy vibration o

  those  body

a  stiff  regio

vertebral dis

ension, later

ng vertebrae

ment models

ankle of the

eg  and  abov

crashes. Th

d  ankle  join

oot was  incl

wo different

e talus; and 

F)  in  dorsifl

  rotational 

kle joint, suc

ed by the te

en from the 

ponse of the 

t model. 

:  the  Japane

ysis  (ITARDA

speed of 70 

numerical ro

ntire distribu

the glenoh

ifying  any  jo

f the shoulde

t was  neces

ound to caus

unchanged, t

riginally mod

and  lumbar

of  interverte

pair of the n

al  column, 

of the head 

y  regions,  th

on was  adde

sc beyond th

ral bending a

e. Table I sum

s. 

e original mo

ve.  Although

us,  it was de

nt.  The  talus

uded  in  the 

t joints repre

the subtalar

exion/planta

DOF  in  inve

h as the talo

ension‐only b

knee ligame

ankle. 

ese  accident

A)  [17],  show

km/h or low

obustness of

ution of diffe

umeral  (sho

oint  element

er and the el

ssary  to  def

se numerical

the addition

deled using a

r  vertebrae 

ebral  discs  l

neighboring v

preliminary 

acceleration

he  contact  d

ed  to  the m

he range of m

and torsion b

mmarizes the

odel was rep

h  leg  fractu

ecided to m

s  and  the  ca

rigid body d

esented by j

r joint, conn

arflexion  an

ersion/evers

ofibular ligam

bar elements

ent model an

t  statistics  f

w  that  99.7%

wer. This led 

f the model 

erent impact 

oulder)  joint 

ts.  Prelimina

bow joints. 

fine  joint  ele

l  instability. 

al joint elem

a joint eleme

of  the  origi

lumped  into

vertebrae. D

impact  sim

n. Since such 

definitions  b

moment‐angl

motion. The

by identifyin

e results of t

Fig. 3. Modif

presented by

ures  are mo

odify the an

alcaneus we

definition of

oint elemen

ecting the ta

d  internal/e

sion  was  giv

ment, the de

s. The profile

nd the magn

for  2013,  fr

%  of  pedest

to the requi

needs to be

conditions.

and  the elb

ary  impact  s

In order to e

ements  at  t

Since the  lig

ments only p

ent remained

inal model  a

o  joint  elem

Due  to the ri

mulations  at

a vibration 

between  nei

e  property 

 range of mo

ng the angle 

he identifica

fied leg mode

y one single j

re  common

kle  joint mo

ere modeled

f  the calcane

ts: the taloc

alus and the

xternal  rota

ven  to  the  s

ltoid ligame

e of the forc

nitude was d

om  the  Inst

rian  acciden

rement of th

 guaranteed

bow  joint are

simulations  a

ensure the nu

hese  joint  lo

gament mod

rovided cons

d unchanged

are  defined 

ents,  and  th

gid‐rigid con

t  high  spee

makes it diff

ighboring  ve

of  the  joint 

otion was de

correspondi

ation of the r

 

el (without f

joint elemen

n,  ankle  frac

odel. Figure 4

d  as  rigid  bo

eus. The ank

crural joint, c

e calcaneus. 

ation were  d

subtalar  joi

nt and the c

ce‐strain resp

determined s

 

titute  for  Tr

nts  against  p

he maximum

d so that the

e modeled u

at  high  spee

umerical rob

ocations  to 

dels around 

straints in tr

d. 

as  rigid  bo

he  contact  d

ntact beyond

eds  showed

ficult to pred

ertebrae we

  element  sp

etermined fr

ing to the in

range of mot

flesh). 

nt because t

ctures  are  n

4 presents t

odies,  and  t

kle model w

connecting t

The rotation

defined  at  t

nt.  The  maj

calcaneofibu

ponse of the

so as to mat

raffic  Accide

passenger  ca

m impact spe

 model can 

using  ligame

eds  frequen

bustness of t

eliminate  t

these  joints 

ranslation. T

dies, with  t

definitions  a

d  the range 

  a  significa

dict probabil

re  eliminate

pecified  at  t

rom the mod

itial contact 

tion. 

he 

not 

he 

he 

was 

he 

nal 

he 

jor 

lar 

ese 

tch 

ent 

ars 

ed 

be 

ent 

tly 

he 

he 

in 

he 

he 

are 

of 

ant 

ity 

ed. 

he 

del 

of 

IRC-15-63 IRCOBI Conference 2015

- 533 -

Page 5: Development of a Full Body FE for Reconstructions - IRCOBIolid materi ents; ACL a e knee join pressive loa dled by the not bear c hose repre ar elements riginal mod L/aPCL, post sented

 

m

si

fo

hy

th

se

te

sh

ei

th

th

an

po

hy

th

di

fo

re

st

va

Fi

 

M

A

ex

of

m

 

th

co

th

an

co

The knee j

modeling the 

mulations at

or  a  pedest

yperextensio

he back of th

emi‐membra

ension‐only b

horter part p

ither the dis

he one‐dime

he leg muscle

nd  the ankle

oints were p

yperextensio

he four musc

istributed am

or  each  of  t

esponse,  the

tiffness  chan

arus/valgus b

g. 5. Lower l

Model Valida

lthough the 

xtensively va

f  the  biofid

modification o

Neck: since

he cervical sp

onducted by

he  full‐body 

nterior‐poste

onstrained  a

 

oint of the o

musculature

t high speed

trian  facing 

on, even pas

he lower lim

anosus  in  the

bar element

proximal to t

tal femur or

nsional bar 

es are on the

e were  indiv

placed at the

on was estim

cle models at

mong the fou

the  four mu

e  initial  stiffn

nges  was  de

bending mom

imb muscle 

ation 

baseline mo

alidated at th

elity  of  the

of the compo

e  the bendin

pine, the nec

y Ewing et al

model  and 

erior and lat

and  the  sam

AxRot

original mod

e, considerin

s revealed th

a  vehicle. 

ssively,  the m

b model, as 

e  thigh and 

s  in series. A

the knee and

r the proxim

elements du

e pelvis and t

vidually valid

e proximal fe

mated from B

t 20 degrees

ur ligament 

uscle models

ness was  red

etermined,  s

ment falls wi

models. 

odels used t

he compone

e  model  in 

onents. 

ng character

ck response 

. [20] and an

the  acceler

teral directio

me prescribed

xis of ation

Head‐C1

C1‐

X 8

Y 13 1

Z 0 4

RANGE OF

del is primari

ng its insignif

hat the peak

Since  the 

muscle mod

shown in Fi

the  triceps 

All of the fou

d the longer 

al tibia to el

ue to knee b

the calcaneu

dated withou

emur and the

Bizot et al. [1

s of hyperext

models. Figu

s.  In  order  t

duced  and  t

such  that  th

ithin 10% ba

 

o develop th

nt level [5‐8

the  conditio

ristics of  the

in flexion an

nalyzed by T

ation  time h

ons, as shown

d motion wa

‐C2 C2‐C3 C3‐C4

0 10 11

10 8 13

47 9 11

TABLE I

F MOTION OF V

ily constrain

ficant contri

k hyperexten

musculature

els  represen

ig. 5. Each o

surae  in  the

ur pairs of t

part distal t

liminate the

bending. The

us, respective

ut  incorpora

e distal tibia,

18] at 18 Nm

tension was 

ure 6 presen

to  avoid  unf

the magnitu

he  influence

sed on Lloyd

Fig. 6

he full‐FE hu

8], the furthe

ons  where 

e  joints spec

nd lateral be

Thunnissen e

history  from

n in Fig. 7. T

as  applied. T

Ra

C4‐C5 C5‐C6 C

11 8

12 17

12 10

VERTEBRAE 

ed by the lig

bution in pu

nsion of the k

e  must  play

nted by  tens

f the biceps 

e  leg was res

he bar elem

o the knee) 

change  in t

e actual attac

ely. Howeve

ating  the effe

, respectivel

m/degree, and

determined

ts the stiffne

favorable  in

de of  the e

e  of  the  ad

d and Buchan

6. Stiffness c

uman model

er modificati

the  model 

ified at  the 

nding was re

et al. [21]. Th

m  Thunnissen

The bottom o

The  excursio

ange of Motion (d

C6‐C7 C7‐T1 T1‐T

7 4 2.

16 9+2.‐3.

9 8 2.

Force (N)

0

200

400

600

800

1000

0.00 0

gaments and

ure lateral be

knee reache

y  a  significa

ion‐only bar

femoris, the

spectively m

ents were d

running thro

he direction

chment poin

r, as the join

ect of  these

y. The bendi

d the force t

such that th

ess characte

fluence  on 

longation  an

dition  of  th

nan [19]. 

haracteristic

 representin

ons to the m

response  m

intervertebr

e‐validated a

he head‐neck

n  et  al.  [21] 

of the skin an

on of  the he

deg)

T12 T12‐L1 L1‐L2

.5 4 4

.53

5.6 5.6

.5 2.5 2.5

Strain (‐)0.01 0.02 0

d the joint ca

ending. Preli

d 39.5 degre

ant  role  in 

r elements w

e semi‐tendi

modeled usin

divided  into t

ough slip rin

n of the tens

nts of the ad

nt characteri

e muscles,  th

ing stiffness 

to be genera

he knee mom

eristics of the

the  varus/v

nd  the  force

he  muscle  m

cs of muscle 

ng a pedestr

model requir

may  be  influ

ral discs wer

against the v

k complex w

was  applied

nd the musc

ead CG  relat

L2‐L3 L3‐L4 L

4 4

5.6 5.6 1

2.5 2.5

0.03

Biceps Fe

Semi‐tendSemi‐mem

Triceps Su

Triceps Su

apsule witho

minary impa

ees at 70 km

such  a  lar

were added 

nosus and t

g  two pairs 

two parts (t

gs attached 

ile force alo

dded thigh a

stics of the h

he attachme

of the knee 

ted by each 

ment is equa

e bar elemen

valgus  bendi

e  at which  t

models  on  t

models. 

ian have be

e re‐validatio

enced  by  t

re changed  f

volunteer tes

was taken fro

d  to  T1  in  t

cles was rigid

tive  to T1 w

L4‐L5 L5‐S1

4 0

11.25 11.25

2.5 2.5

moris

dinosusmbranosus

urae (lateral)

urae (medial)

out 

act 

m/h 

rge 

to 

he 

of 

he 

to 

ng 

nd 

hip 

ent 

in 

of 

ally 

nts 

ng 

he 

he 

en 

on 

he 

for 

sts 

om 

he 

dly 

was 

IRC-15-63 IRCOBI Conference 2015

- 534 -

Page 6: Development of a Full Body FE for Reconstructions - IRCOBIolid materi ents; ACL a e knee join pressive loa dled by the not bear c hose repre ar elements riginal mod L/aPCL, post sented

co

fle

ac

ac

an

Fi

be

in

fo

co

th

to

hi

eq

 

 

 

 

 

w

he

sc

ti

de

di

fo

w

w

im

im

si

te

 

 

 

 

 

 

 

ompared for

exion,  the  li

cceleration  a

cceleration 

nterior‐poste

g. 7. Lateral 

Thorax:  th

ecause of th

ntervertebral

or  the  fronta

onditions, w

he impact sp

o the lack of 

istories of th

quations: 

where   is  le

eight of the 

caled  thorac

me  (s), 

ensity  and 

isplacement 

orce and the 

were determi

was compare

mpact, the  im

mpact speed

mulations. F

ests. 

r both flexion

near  accele

about  the  la

in  the  late

erior axis we

bending and

he  impact  re

e change in 

l discs. The t

al  impact  an

hich are sum

peed, the ave

the scaled d

he force and

ength scale  f

subject test

ic displacem

 is time f

the  elastic 

was plotted

thoracic def

ined  from  th

d with the f

mpact force 

s of 4.4 m/s,

Figure 8  illus

n and lateral

ration  in  the

ateral  axis w

ral  and  the

ere compared

d flexion of h

esponse  of 

the contour 

horacic impa

nd  the  obliq

mmarized in 

erage values

ata, each of 

 the thoraci

λ

factor, ted,   i

ment  (m), 

from the tes

modulus  eq

d, and ellipse

flection were

he envelop c

orce‐deflect

time history

, 6.5 m/s an

strates  the c

 bending aga

e  anterior‐p

were  compar

e  superior‐in

d.  

head‐neck co

the  thorax 

of the rib ca

act test resu

que  impact, 

Table II, wer

s of the test 

the test resu

c deflection

       

∙  

∙  

 is stan

s scaled forc

 is  tho

t (s). This sc

qual  1.  For 

es with the le

e drawn. The

curves. The 

ion corridor 

y corridors s

d 9.5 m/s w

computer sim

ainst the cor

osterior  and

red with  the

nferior  direc

omplex. 

was  also  re

age and the 

lts conducte

respectively

re used. Due

conditions w

ults presente

were scaled

       

       

       

       

ndard height

ce  (N), 

oracic deflect

caling proced

  each  scale

engths of th

en the upper

force‐deflec

 for each of 

caled to 50t

ere used to 

mulation mo

rridors prese

d  the  superi

e  test  result

ctions  and 

e‐validated  i

modification

ed by Kroell e

y.  For  the  fr

e to the varia

were applied

ed in the pap

d based on E

         

         

         

         

t  (175.6 cm 

 is force f

tion  from  th

dure assume

ed  time,  the

e axes repre

r and lower b

ction  respon

the  impact 

th percentile

compare the

odels  represe

ented by Thu

or‐inferior d

ts.  For  the  la

the  angular

n  frontal  an

ns to the ben

et al. [22‐23]

rontal  impac

ations in the 

d to the hum

pers [22‐23] 

Eppinger et a

         

         

         

         

for 50th per

from the sub

he  subject  te

es that the s

e  average  f

esenting one

bounds of th

se  from  the 

conditions  i

e male prese

e impact for

enting  the  fr

unnissen et a

directions  an

ateral  bend

r  acceleratio

 

nd  oblique  i

nding charac

] and Viano [

ct,  three  dif

 mass of the

man model si

was digitized

al. [24] using

         

         

         

         

rcentile mal

bject tested

ested  (m), 

scaling facto

force  versus

e standard de

e force‐defle

e human mo

n Table II. F

ented  in Vian

rce from the 

rontal and o

al. [21]. For t

nd  the  angu

ing,  the  line

on  about  t

mpactor  tes

cteristics at t

[24] were us

fferent  impa

e impactor a

imulation. D

d and the tim

g the followi

          (

          (

          (

          (

e  ), 

(N), 

 is  scal

rs of the ma

s  the  avera

eviation of t

ection corrid

del  simulatio

or the obliq

no [24] for t

human mod

oblique  impa

he 

lar 

ear 

he 

sts 

he 

ed 

act 

nd 

ue 

me 

ng 

(1) 

(2) 

(3) 

(4) 

 is 

 is 

ed 

ass 

ge 

he 

dor 

on 

ue 

he 

del 

act 

IRC-15-63 IRCOBI Conference 2015

- 535 -

Page 7: Development of a Full Body FE for Reconstructions - IRCOBIolid materi ents; ACL a e knee join pressive loa dled by the not bear c hose repre ar elements riginal mod L/aPCL, post sented

 

Th

in

by

be

va

th

th

ra

de

co

al

 

th

bo

an

de

ap

to

w

am

th

de

th

de

de

st

Th

hi

th

an

Leg: the  le

he leg mode

n Fig. 9, and 

y  Ivarsson  e

etween thes

alues from th

he inertial sp

he lack of inf

atio was dete

efined and t

ontribution o

. [27]: 6.0%;

Knee Ligam

he  structure 

one‐ligamen

nd  1600 mm

evelop  force

pplied due to

o a  large var

was  used.  Fir

mong the su

he  force  from

eflection wa

he  ratio  up 

eflection lev

etermined d

tandard devi

he  standard 

istory used b

he dynamic t

nd non‐linea

 

 

 

 

 

 

 

Cond

Test ID M (

42FM

45FM

53FM

60FM

Ave.

Val.M: Mass ofAve.: Avera

FTONTAL

eg model wa

l was subjec

the momen

et  al.  [26].  T

se two bone

he literature

pace and the

formation fr

ermined, thr

he ratio was

of the fibula 

 Takebe et a

ment: the mo

  of  the mod

nt‐bone com

m/s  (dynami

e‐deflection 

o the lack of

riability of  th

rst,  the  aver

ubjects, and 

m  the  test w

s calculated 

to  the  larg

vel. The aver

directly from 

iation  in  forc

  deviation  i

by the tests [

tension of aA

ar rate‐depen

dition 1

kg) V (m/s) Test 

22.9 4.9 48FM

23.0 5.1 50FM

23.0 5.2 51FM

23.0 4.3 52FM

56FM

58FM

62FM

22.98 4.88 Ave.

23.0  4.9 Val.f impactor, V: Impage, Val.: Validatio

TABLE II 

L IMPACT COND

s re‐validate

cted to dynam

t‐deflection 

The  effect  o

s was verifie

e in the axial

e foot define

om the liter

ree different

s calculated 

in axial com

al. [28]: 6.4%

odels for the

del  for  thes

plex extracte

c).  The data

corridors an

f the anthrop

he data betw

rage  force‐d

the standar

with  the  sma

and curve‐fi

est  ultimate

age values a

the test res

ce was appli

n  the  deflec

[30‐31]. Figu

ACL. Materia

ndent constit

Condition 2

ID M (kg) V (m/

M 10.4

M 10.4

M 10.4

M 10.4

M 10.4

M 10.4

M 10.0

10.34 6

10.3 act speedon Condition

DITIONS 

ed  in 3‐point

mic mid‐shaf

response w

of  the  additi

ed by compa

 compressio

ed as a rigid 

ature on the

t cross‐sectio

in all of the 

pression obt

; Shuler et a

e ACL, PCL an

se  ligaments

ed from the 

a  from Bose 

nd  the avera

pometric info

ween subjec

eflection  cu

d deviation 

allest ultima

tted as a fun

e  deflection 

and the stand

sults to dete

ied to deter

ction was  no

re 10 presen

l Type 202 w

tutive charac

Conditio

/s) Test ID M (kg)

7.1 12FF 22

7.3 13FM 22

6.7 14FF 22

7.2 15FM 23

6.9 18FM 23

6.8 20FM 23

6.9 21FF 23

22FM 23

63FM 23

64FM 23

6.99 Ave. 23.

7.0 Val. 23

t bending du

ft 3‐point be

as compared

ion  of  the  i

aring the co

on of the leg

body was fo

e exact cross

ons (mid‐sha

three cross‐

tained from 

l. [29]: 6–17%

nd LCL were

s.  The  valida

knee mode

  et  al.  [30]

age and vari

ormation on

cts, a specific

rve was  det

in  force was

ate deflectio

nction of def

to  estimate

dard deflect

rmine the av

rmine the up

ot  taken  int

nts the exam

was used for 

cteristics we

on 3

V (m/s)

2.9 7.2

2.9 7.4

2.9 7.3

3.6 6.9

3.6 6.7

3.6 6.7

3.6 6.8

3.6 6.7

3.0 6.9

3.0 6.9

27 6.95

3.3  7.0 

Fig. 8. Fro

ue to the ad

ending at 1.5

d with that f

nterosseous

ntribution o

. The proxim

orced to disp

s‐section of t

aft, distal thi

‐sections at 

the literatur

%). 

individually 

ation was  co

l at the  load

and  van Do

ability of  th

 some of the

c procedure

termined  up

s calculated 

n  to  that  fro

flection. The

e  the  avera

ion of the fo

verage failur

pper and  low

o  account  d

mple of the b

the bar elem

ere specified.

ontal and ob

dition of the

5 m/s of the 

from the res

s membrane

f the  load b

mal end of th

lace vertical

the leg at wh

rd and proxi

1.0 kN comp

re ranged fro

re‐validated

onducted  in 

ding rates of 

mmelen  et 

e  failure po

e subjects us

to develop 

p  to  the  sma

for each de

om  the  test 

n the functio

ge  force‐def

orce and the

re point and

wer bounds o

due  to  the  p

one‐ligamen

ments repres

lique thorac

e  interosseo

loading rate

sponse corrid

e  on  the  loa

orn by the f

he tibia was 

lly at 250 mm

hich the load

imal third) o

pression. The

om 6.0% to 1

d because of

  dynamic  te

f 0.016 mm/

al.  [31] wer

ints. Data  sc

sed in the ex

force‐deflec

allest  deflec

eflection. The

 with  the  la

on was used 

flection  curv

e deflection a

d its variation

of the respo

prescribed  d

nt‐bone com

senting the l

ic impact. 

us membran

e, as present

dor develop

ad  distributio

fibula with t

rigidly fixed 

m/min. Due 

d transmissi

of the leg we

e values of t

17.0% (Funk 

f the change 

ension  using

s (quasi‐stat

re  analyzed 

caling was n

periment. D

ction corrido

ction  at  failu

en the ratio 

rgest ultima

to extrapola

ve  up  to  th

at failure we

n. The avera

onse corrido

eflection  tim

plex model f

igament fibe

ne. 

ed 

ed 

on 

he 

to 

to 

on 

ere 

he 

et 

in 

g  a 

tic) 

to 

not 

ue 

ors 

ure 

of 

ate 

ate 

hat 

ere 

ge 

rs. 

me 

for 

ers 

IRC-15-63 IRCOBI Conference 2015

- 536 -

Page 8: Development of a Full Body FE for Reconstructions - IRCOBIolid materi ents; ACL a e knee join pressive loa dled by the not bear c hose repre ar elements riginal mod L/aPCL, post sented

 

th

th

lo

re

pr

et

th

(F

fo

O

w

Co

sl

 

in

en

co

et

F

 

N

Th

of

tu

se

pe

co

co

an

bu

31

Th

Knee Joint

he  ligament 

he knee, the 

oads, which 

esponse in va

resented in 

t  al.  [32].  Fig

heory, the ra

Fig. 11). In or

orce, the tes

ne of the te

was conducte

onsidering  t

ack strain of

Ankle: due

n dorsiflexion

nd of  the  tib

orresponding

t al. [33]. 

Fig. 11. 3‐po

Numerical Ro

he numerica

f the measur

urned off  to 

evere condit

edestrian  pr

ombination 

omponents. 

ny pedestria

umper, bum

1 old Japane

he  stiffness 

Fig. 9.  3‐poi

t: the knee  jo

and the kne

model was 

normally  tak

algus bendin

Ivarsson et a

gure 11 pre

atio of the va

rder to valida

sts with a sm

sts (test ID: 

ed under the

he use of  th

f 0.2 was app

e to the mod

n/plantarflex

bia was rigid

g joints at 50

int knee valg

obustness Eva

l robustness

res to enhan

 provide  lar

tions. A simp

rotection  reg

of multiple 

Unpublished

an protectio

mper, hood e

ese cars in th

characterist

nt bending o

oint model w

ee  joint caps

also validate

kes place  in 

ng of the kne

al. [26]. For 

sents  the 3‐

algus bendin

ate the knee

maller mome

Comb 7 in B

e moment‐to

he specimen

plied to the l

ification of t

xion and inve

dly  fixed to t

00 degrees/s

gus bending 

aluation 

s of the mod

ce the nume

rgest‐possibl

plified car m

gulations  an

rigid  surface

d legform, u

n measures 

dge and win

e sedan cate

tics of  these

 

of leg 

was re‐valida

ule models. 

ed in 3‐point

actual car–p

e was comp

3‐point bend

‐point bendi

g moment a

e model unde

ent‐to‐shear 

Bose et al. [3

o‐shear force

s  in the test

igament and

the ankle in t

ersion/eversi

the  inertial s

s. The mome

set‐up used 

el was evalu

erical robust

e  internal  lo

model represe

d NCAPs wa

es  connected

pper legform

were  analyz

ndshield. The

egory prior to

  component

ated  in 4‐po

Since 4‐poi

t bending tha

pedestrian c

ared with th

ding, the she

ing  test  set‐

applied at th

er the condit

force ratio 

32]) was omi

e ratio of 2.6

ts without p

d knee joint c

the modified

ion were com

space and th

ent‐angle re

by Bose et a

uated in an im

ness. Failure

oads  and  ev

enting a stif

as  used  for 

d  to  linear  s

m and headfo

zed  to obta

e shape of th

o the compli

ts were dete

Fig. 10.  In

oint bending 

nt bending e

at applied a 

collisions. Fo

e response c

ear force tim

‐up used by 

e knee to th

tion with rela

(test  ID: Com

tted as an o

69, determin

reconditioni

capsule mod

d model, the 

mpared with

he rigid‐body

sponses wer

al. [32]. 

mpact from a

e representat

aluate  the n

ff car  front‐e

the  impact 

spring  eleme

orm test res

in  the  avera

he car mode

iance with th

ermined  fro

ndividual kne

due to the c

essentially p

combination

or 4‐point be

corridor scale

me history w

Bose et  al. 

e shear forc

atively large

mb 4‐8  in Bo

utlier. Three

ed from the

ng  the  ligam

els. 

moment‐an

 that from th

y  foot was  f

re compared

a car at 70 k

tion options 

numerical  ro

end structure

simulations.

ents  represe

ults against 

age  stiffness

l was determ

he regulation

m  the  avera

 ee ligament t

change  in th

provides a pu

n of the bend

ending,  the m

ed to 50th p

was compared

[32]. Based

ce is determi

r contributio

ose et al. [32

e‐point bend

e average of 

mentous tiss

ngle response

he literature

forced  to rot

d with those

km/h to evalu

of the huma

obustness un

e prior  to  th

.  The mode

enting  the  st

old Japanes

s of  the  low

mined from t

n for pedestr

age  +  1SD.  T

tension 

he structure 

ure bending 

ding and she

moment‐ang

percentile ma

d against Bo

 on  the bea

ned by 

on of the she

2]) were use

ding simulatio

the four tes

ues, the  init

es of the ank

e. The proxim

tate about t

from Crand

uate the effe

an model we

nder  the mo

he mandate 

l  consists  of

tiffness of  t

e cars witho

er part of  t

the average 

rian protectio

The  car mod

of 

of 

ear 

gle 

ale 

ose 

am 

 

ear 

ed. 

on 

ts. 

tial 

kle 

mal 

he 

all 

ect 

ere 

ost 

of 

f  a 

he 

out 

he 

of 

on. 

del 

IRC-15-63 IRCOBI Conference 2015

- 537 -

Page 9: Development of a Full Body FE for Reconstructions - IRCOBIolid materi ents; ACL a e knee join pressive loa dled by the not bear c hose repre ar elements riginal mod L/aPCL, post sented

re

ch

lo

th

be

an

hu

hi

ef

sh

ch

F

 

F

 

M

la

an

th

an

af

 

re

th

de

co

im

 

be

hu

m

ra

epresents  th

haracteristics

ongitudinal d

he  car  surfac

etween the c

nd mid‐gait 

uman mode

it by a car b

ffect of the a

hows the exa

haracteristics

Fig. 12. Car‐p

Fig. 13. Force

Model Valida

Neck:  Fig. 

teral bendin

nd angular a

he flexion of 

ngular accele

ffixed to the 

Thorax:  Fig

esponse corr

hree  differen

eflection wa

ompares  the

mpact speeds

Leg: Fig. A

ending of th

uman mode

model simulat

anged from 7

0

20000

40000

60000

0.00 0

Force (N)

D

he  stiffness

s, as presen

direction don

ce  area was

car center pa

cycle. Three

l. The uprigh

oth laterally

addition of t

ample of the

s of the car m

pedestrian im

e‐deflection 

ation 

A1  in  the A

ng of the nec

acceleration 

the neck for

eration abou

inertial spac

g.  A3  in  the

ridor determ

nt  combinat

as  determine

e  impact  for

s of 4.4 m/s,

A5  in the App

e mid‐shaft 

l. Figure 14 s

tion for the f

7.3% to 16.1%

0.05 0.10 0.15

Deflection (m)

s  of  the  c

ted by Asan

ne by the ear

s  also  divide

art and the r

  impact sim

ht model was

y and frontal

the musculat

e car–pedest

model for dif

mpact simula

characterist

Appendix  com

ck for the he

about the fr

r the head C

ut the latera

ce. 

e  Appendix 

ined in the c

tions  of  the 

ed  as  the  d

rce  time hist

 6.5 m/s and

pendix show

leg between

shows the fo

four differen

% at 1 kN of 

Lower Bumper

Bumper

Hood Edge

components 

uma et al. [

rlier study to

ed  in  the  lat

right and left

ulations wer

s hit by the c

ly at 70 km/

ture around 

trian impact 

fferent regio

ation. 

ics of simplif

mpares  the 

ad CG trajec

rontal (X) ax

G trajectory,

l (Y) axis. All 

compares  t

current study

impactor m

isplacement

tory with  th

d 9.5 m/s. 

ws the compa

n the respon

orce time his

nt cross‐sect

the total for

0

2000

4000

6000

0.00 0

Force (N)

D

r

using  one

34].  In addit

o represent t

teral  directio

t parts. Two 

re conducted

car model la

/h. The front

the knee on

 simulation f

ons along the

fied car mod

III. RESULTS

human mod

ctory, lateral

xis. Figure A2

, frontal (X) a

the accelera

the  force‐de

y from the te

mass  and  th

t  of  the  imp

he  scaled  for

arison of the

nse corridor 

story in axial

ions. The co

rce, which ar

0.05 0.10 0.1

Deflection (m)

e‐dimensiona

tion to the d

he distributi

on  to  repres

pedestrian lo

d using the s

terally at 70

tal  impact si

n the knee k

for lateral im

e centerline o

del. 

del  simulatio

 (Y) and vert

2  in the App

and vertical 

ations are re

eflection  res

est results p

e  impact  sp

pactor  relati

rce  time hist

e moment‐d

presented in

 compressio

ntribution fr

re within the

15

Hood Front

Hood Center

Hood Rear

al  springs  w

division of th

on of differe

sent  differen

ower limb st

simplified ca

km/h. The m

mulation wa

kinematics du

mpact. Figure

of the car. 

on  results w

tical (Z) linea

endix prese

(Z) linear acc

elative to the

ponse  of  th

resented in K

peed  shown 

ve  to  T9.  Fi

tory  corrido

eflection res

n Ivarsson et

on of the leg 

om the fibul

e range from 

r

0

4000

8000

12000

16000

0.00 0

Force (N)

D

with  non‐li

he car front 

ent stiffness 

nt  stiffness 

tances were 

ar model and

mid‐gait stan

as conducted

uring a collis

e 13 present

 

with  the  test 

ar acceleratio

nts similar c

celeration of

e global coor

he  thorax  w

Kroell et al. 

  in  Table  II

igure  A4  in 

or  from Vian

sponse  in dy

t al. [26] and

from the m

la to the ove

 the literatur

0.05 0.10 0.1

Deflection (m)

near  stiffne

surface  in t

characterist

characterist

used – uprig

d the modifi

nce model w

d to clarify t

sion. Figure 

ts the stiffne

results  in  t

on of the he

comparisons 

f the head a

rdinate syste

ith  the  scal

[22‐23] for t

.  The  thorac

the  Append

o  [24]  for  t

ynamic 3‐poi

d the modifi

odified hum

erall axial for

re. 

15

Glass Front

Glass Center

Glass Rear

ess 

he 

ics, 

ics 

ght 

ed 

was 

he 

12 

ess 

he 

ad 

in 

nd 

em 

ed 

he 

cic 

dix 

he 

int 

ed 

an 

rce 

IRC-15-63 IRCOBI Conference 2015

- 538 -

Page 10: Development of a Full Body FE for Reconstructions - IRCOBIolid materi ents; ACL a e knee join pressive loa dled by the not bear c hose repre ar elements riginal mod L/aPCL, post sented

F

 

kn

po

th

 

sc

th

50

F

4

 

in

F

 

N

A

ki

co

Fig. 14. Load

Knee Ligam

nee ligament

oint variatio

he failure po

Knee Joint

caled respon

he shear forc

0th percenti

Fig. 15. Valid

4‐point valgu

Ankle:  Fig

nversion/eve

Fig. 17. Valid

Numerical Ro

ll  of  the  thr

nematics  of

onfigurations

 distribution

ment: Fig. A6

ts at the loa

ns determin

int variation 

: Fig. 15 com

nse corridor f

ce time histo

le male and 

dation results

us bending. 

.  17  shows 

rsion betwe

dation results

obustness Eva

ree  impact  s

f  the modifi

s. 

n between tib

6 in the Appe

ding rates o

ned  in this st

were not de

mpares the m

from Ivarsso

ory in 3‐point

the simulatio

s of knee ben

the  compa

en the exper

s of ankle joi

aluation 

simulations 

ed  pedestria

bia and fibul

endix shows

f 0.016 mm/

tudy and the

etermined fo

moment‐angl

n et al. [26]

t bending of 

on result usi

nding mome

rison  of  the

riment from 

int rotation.

were  succes

an model  is

a in leg com

 the compar

/s and 1600 

e results of t

or pPCL at 0.0

le response i

and the mod

the knee be

ng the modi

ent in  Fig. 1

3‐po

e  moment‐a

Crandall et a

ssfully  run  u

s  illustrated 

pression. 

rison of the f

mm/s betwe

the modified

016 mm/s be

in 4‐point va

dified model

etween the t

fied model.

16. Validatio

oint valgus be

angle  respon

al. [33] and t

up  to  the  he

in  Fig.  A7  i

force‐deflect

een the resp

d model sim

ecause only o

algus bending

 simulation r

est data from

n results of k

ending. 

nse  in  dorsif

the modified

ead  contact 

n  the  Appen

tion respons

ponse corrid

ulations. Th

one test was

g of the kne

result. Figure

m Bose et al.

knee shear f

flexion/plan

d model simu

with  the  ca

ndix  for  the

se of individu

ors and failu

e corridor a

s conducted.

e between t

e 16 compar

. [32] scaled 

force in 

tarflexion  a

ulation. 

ar model.  T

e  three  impa

ual 

ure 

nd 

he 

res 

to 

nd 

he 

act 

IRC-15-63 IRCOBI Conference 2015

- 539 -

Page 11: Development of a Full Body FE for Reconstructions - IRCOBIolid materi ents; ACL a e knee join pressive loa dled by the not bear c hose repre ar elements riginal mod L/aPCL, post sented

IV. DISCUSSION 

The results of the biofidelity validation generally showed that the impact response of the modified human FE 

model is more biofidelic at the component level, except the upper limb, for which validation was not conducted. 

The  upper  limb  joint models  were  simplified  using  joint  elements  to  ensure  the  numerical  robustness  at 

high‐speed  impacts.  The  elimination of  the  contact definitions  between  the  rigid‐body  cervical  and  thoracic 

vertebrae yielded the head response without unfavorable high frequency oscillations, as shown  in Fig. A1 and 

Fig. A2  in the Appendix. The modifications to the thorax and the ankle models, validated against experiment, 

allow the estimation of impact responses to these body regions. The additional validation of the knee model in 

3‐point bending ensured  that  the model  is  capable of predicting  responses  to  combined bending  and  shear 

loads.  The  change  in  the  ligament model  structure  to  the  bar models  representing  the  fibers  and  the  solid 

models representing the matrix eliminated unrealistic compressive load due to the use of the tension‐only bar 

elements, while maintaining a similar level of biofidelity compared to the baseline model. Although the material 

property of the interosseous membrane requires validation, the validation of the load distribution between the 

tibia and the fibula within the leg is important when local failure of a particular bone needs to be predicted. The 

validation of the leg model in 3‐point bending showed that the model prediction almost traced the lower bound 

of  the  experimental  corridor  from  Ivarsson  et  al.  [26]. However,  the  stiffness of  the  later phase of  loading, 

where the bone resistance dominates, is similar to the experimental data. This ‘shift’ of the curve in deflection 

can be attributed  to  the decreased  thickness of  the  leg  flesh between  the bone and  the  ram  relative  to  the 

thickness in a standing position due to the amputated muscles hanging down the horizontally placed bone. The 

impact simulations at 70 km/h succeeded  in calculating the kinematics of a pedestrian up to the head contact 

with  the  car  without  any  errors  terminating  the  computation,  suggesting  that  the model  can  be  used  to 

simulate almost  the entire  range of  the  impact scenarios seen  in  real‐world accidents  in  terms of  the  impact 

speed. 

The knee model validations in 3‐point and 4‐point bending assumed the slack strain of 0.2 due to the lack of 

preconditioning  of  the  ligaments  in  the  experiment,  as  opposed  to  the  tensile  tests  of  individual  ligaments 

where the  ligaments were preconditioned prior to the tests to failure [30‐31]. The assumed  initial slack strain 

needs further clarifications when experimental data showing the influence of the preconditioning is available. 

In order to ensure the numerical robustness of the model up to 70 km/h impact, it was necessary to simplify 

the joint models in the upper limb due to the load concentration at the joints. In contrast, the Pedestrian Crash 

Data Study database [35] shows only 10  joint  injuries out of 858  injuries to the upper  limb. This suggests that 

the concentrated load to the upper limb joints may not be realistic possibly due to the lack of the muscle model 

in the upper limb and its activation upon impact. The lack of bone fracture representation may have resulted in 

unrealistic loads to the joints. Further studies are needed to clarify the mechanism of injuries to the upper limb. 

As  the  car  front‐end  shape  and  structure  would  greatly  influence  car–pedestrian  interactions,  further 

investigation will be needed to ensure numerical robustness of the model against different types of cars. 

The addition of the musculature around the back of the knee decreased the peak hyperextension angle of 

the  knee  from  39.5  degrees  to  29.8  degrees,  showing  that  the  contribution  of  the  passive musculature  is 

significant  in  the  hyperextension  of  the  knee  in  a  frontal  collision.  However,  the  knee  response  in 

hyperextension has not been validated and needs  further validations.  In addition,  the neck model validation 

used rigid constraint of the bottom of the neck musculature and skin, which may  influence the neck stiffness 

and requires further clarifications  in a future study. The rigid foot model may need to be further  improved  in 

order for the model to be applicable to various orientation and angle of the ankle upon impact. 

 

V. CONCLUSIONS  

A full‐body FE model for a pedestrian was developed by combining the upper body and the pelvis and lower 

limb models developed in previous studies. The modifications were made to the neck, upper limb, thorax, knee, 

leg and ankle in order to enhance the biofidelity and the numerical robustness of the model. The validation of 

the biofidelity of  the model  for  the modified  components  showed  good match with  the  experimental data, 

suggesting  that  the model  is  capable of predicting  impact  responses  to  the  entire body  regions,  except  the 

upper  limb,  where  the  joint  models  were  simplified  to  improve  the  numerical  robustness.  The  impact 

simulations against a simplified car model representing a stiff front‐end structure at 70 km/h showed that the 

IRC-15-63 IRCOBI Conference 2015

- 540 -

Page 12: Development of a Full Body FE for Reconstructions - IRCOBIolid materi ents; ACL a e knee join pressive loa dled by the not bear c hose repre ar elements riginal mod L/aPCL, post sented

model  is  capable of  calculating pedestrian  kinematics up  to head  contact  to  the  car over  the  entire  impact 

speed range of real‐world accidents.  

 

VI. REFERENCES  

[1] European Enhanced Vehicle‐safety Committee. EEVC Working Group 17 Report – Improved test methods to evaluate pedestrian protection afforded by passenger cars, EEVC, 1998. 

[2] Fredriksson,  R.,  Rosén,  E.  Integrated  Pedestrian  Countermeasures  ‐  Potential  of  Head  Injury  Reduction Combining  Passive  and  Active  Countermeasures.  Proceedings  of  IRCOBI  Conference,  2010,  Hanover (Germany). 

[3] Wang,  J.  T.  Phase  II  Plan &  Status  of  the  Global  Human  Body Models  Consortium.  SAE Government & Industry Meeting, 2014, Washington, DC (USA). 

[4] Watanabe, R., Katsuhara, T., Miyazaki, H., Kitagawa, Y., Yasuki, T. Research of the Relationship of Pedestrian Injury  to Collision  Speed,Car‐type,  Impact  Location  and Pedestrian  Sizes using Human  FE model  (THUMS Version 4). Stapp Car Crash Journal, 2012, 56: 269–321. 

[5] Takahashi, Y., Suzuki, S.,  Ikeda, M., Gunji, Y.  Investigation on Pedestrian Pelvis Loading Mechanisms Using Finite Element Simulations. Proceedings of IRCOBI Conference, 2010, Hanover (Germany). 

[6] Ikeda, M., Suzuki, S., Gunji, Y., Takahashi, Y., Motozawa, Y., Hitosugi, M. Development of an Advanced Finite Element Model for a Pedestrian Pelvis. Proceedings of 22nd ESV Conference, 2011, Washington D.C. (USA). 

[7] Dokko,  Y.,  Yanaoka,  T.,  Ohashi,  K.  Validation  of  Age‐specific  Human  FE  Models  for  Lateral  Impact. Proceedings of SAE World Congress, 2013, Detroit (USA). 

[8] Ito, O., Dokko, Y., Ohashi, K. Development of Adult and Elderly FE Thorax Skeletal Models. Proceedings of SAE World Congress, 2009, Detroit (USA). 

[9] Bartleby.com.  “Henry  Gray  (1825–1861).    Anatomy  of  the  Human  Body.    1918.”  Internet: http://www.bartleby.com/107/indextn3.html, accessed 24 March 2015. 

[10]  Takahashi, Y., Kikuchi, Y. Biofidelity of test devices and validity of injury criteria for evaluating knee injuries to pedestrians. Proceedings of 17th ESV Conference, 2001, Amsterdam (The Netherlands). 

[11]  Shin,  J., Lee, S., et al. Development and validation of a  finite element model  for  the Polar‐II upper body. Proceedings of SAE World Congress, 2006, Detroit (USA). 

[12]  National Highway Traffic Safety Administration. Laboratory Test Procedure for FMVSS 208, Occupant Crash Protection Sled Tests, TP‐208S‐01. 

[13]  Hadjipanayi,  E., Mudera,  V.,  Brown,  R.  A.  Guiding  cell migration  in  3D:  A  collagen matrix with  graded directional stiffness. Cell Motility and the Cytoskeleton, 2009, 66(3):121–8. 

[14]  Susilo,  M.  E.,  Roeder,  B.  A.,  Voytik‐Harbin,  S.  L.,  Kokini,  K.,  Nauman,  E.  A.  Development  of  a three‐dimensional unit cell to model the micromechanical response of a collagen‐based extracellular matrix. Acta Biomaterialia, 2010, 6(4):1471–86. 

[15]  Lewis, G., Shaw, K. M. Modeling the tensile behavior of human Achilles tendon. Bio‐Medical Materials and Engineering, 2012, 7(4): 231–44. 

[16]  Bertram,  J. E., Polevoy, Y., Cullinane, D. M. Mechanics of avian  fibrous periosteum:  tensile and adhesion properties during growth. Bone, 1998, 22(6):669–75. 

[17]  Institute  for  Traffic  Accident  Research  and Data  Analysis.  2013  Traffic  Accident  Statistics  (in  Japanese), 2011. 

[18]  Bizot, P., Meunier, A., Chrisfel, P., Witvoet,  J. Experimental Passive Hyperextension  Injuries of  the Knee; Biomechanical Aspects of Their Consequences (in French). Revue de Chirurgie Orthopedique et Reparatrice de L'appareil Moteur, 1995, 81(3):211–20. 

[19]  Lloyd,  D. G.,  Buchanan,  T.  S.  Strategies  of muscular  support  of  varus  andvalgus  isometric  loads  at  the human knee. Journal of Biomechanics, 2001, 34:1257–67. 

[20]  Ewing, C., Thomas, D. Human head and neck response to  impact acceleration. NAMRL Monograph, 1973, 21. 

[21]  Thunnissen,  J.,  Wismans,  J.,  Ewing,  C.,  Thomas,  D.  Human  Volunteer  Head‐Neck  Response  in  Frontal Flexion: A New Analysis. SAE Technical Paper, 1995, Paper No. 952721. 

[22]  Kroell, C., Schneider, D., Nahum, A.  Impact Tolerance and Response of  the Human Thorax. SAE Technical Paper, 1971, Paper No. 710851. 

IRC-15-63 IRCOBI Conference 2015

- 541 -

Page 13: Development of a Full Body FE for Reconstructions - IRCOBIolid materi ents; ACL a e knee join pressive loa dled by the not bear c hose repre ar elements riginal mod L/aPCL, post sented

[23]  Kroell, C., Schneider, D., Nahum, A. Impact Tolerance and Response of the Human Thorax II. SAE Technical Paper, 1974, Paper No. 741187. 

[24]  Eppinger, R. Prediction of Thoracic  Injury Using Measurable Experimental Parameters. Proceedings of the International Conference on Experimental Safety Vehicles, 1976, London (UK). 

[25]  Viano, D. Biomechanical Responses and Injuries  in Blunt Lateral Impact. SAE Technical Paper, 1989, Paper No. 892432. 

[26]  Ivarsson, J., Lessley, D., et al. Dynamic Response Corridors and  Injury Thresholds of the Pedestrian Lower Extremities. Proceedings of IRCOBI Conference, 2004, Graz (Austria). 

[27]  Funk, R., Rudd, R., Kerrigan, J., Crandall, J. Analysis of Tibial Curvature, Fibular Loading, and the Tibia Index. Proceedings of IRCOBI Conference, 2003, Lisbon (Portugal). 

[28]  Takebe, K., Nakagawa, A., Minami, H., Kanazawa, H., Hirohata, K. Role of the fibula in weight‐bearing. Clin. Orthop. Relat. Res., 1984, 184:289–92. 

[29]  Shuler,  F.,  Dietz,  M.  Tibial  and  Fibular  Shaft  Fractures.  In  Essential  Orthopaedics,  p.  703,  Elsevier, Philadelphia, USA, 2009. 

[30]  Bose,  D.,  Sanghavi,  P.,  Kerrigan,  J.,  Madeley,  N.,  Bhalla,  K.,  Crandall,  J.  Material  Characterization  of Ligaments  Using  Non‐contact  Strain Measurement  and  Digitization.  International Workshop  on  Human Subjects for Biomechanical Research, 2002, Ponte Vedra Beach (USA). 

[31]  van Dommelen,  J.,  Ivarsson, B., et al. Characterization of  the Rate‐Dependent Mechanical Properties and Failure of Human Knee Ligaments. Proceedings of SAE World Congress, 2005, Detroit (USA). 

[32]  Bose, D.,  Bhalla,  K.,  Rooij,  L., Millington,  S.,  Studley, A.,  Crandall,  J.  Response  of  the  Knee  Joint  to  the Pedestrian Impact Loading Environment. Proceedings of SAE World Congress, 2004, Detroit (USA). 

[33]  Crandall, J., Portier, L., et al. Biomechanical Response and Physical Properties of the Leg, Foot, and Ankle. SAE Technical Paper, Paper No. 962424, 1996. 

[34]  Asanuma, H.,  Takahashi,  Y.,  Ikeda, M.,  Yanaoka,  T.  Investigation of  a  Simplified Vehicle Model  that Can Reproduce Car‐Pedestrian Collisions. Proceedings of SAE World Congress, 2014, Detroit (USA). 

[35]  National Highway Traffic  Safety Administration. National Automotive Sampling System, Pedestrian Crash Data Study, 1994–1998. 

   

IRC-15-63 IRCOBI Conference 2015

- 542 -

Page 14: Development of a Full Body FE for Reconstructions - IRCOBIolid materi ents; ACL a e knee join pressive loa dled by the not bear c hose repre ar elements riginal mod L/aPCL, post sented

F

 

F

 

F

 

F

 

Fig. A1. Head

Fig. A2. Head

Fig. A3. Valid

Fig. A4. Valid

d‐neck respo

d‐neck respo

dation result

dation result

onse validatio

onse validatio

s of frontal t

s of oblique 

V

on results in 

on results in 

thoracic impa

thoracic imp

VII. APPENDI

lateral bend

flexion. 

act. 

pact. 

IX 

ding. 

IRC-15-63 IRCOBI Conference 2015

- 543 -

Page 15: Development of a Full Body FE for Reconstructions - IRCOBIolid materi ents; ACL a e knee join pressive loa dled by the not bear c hose repre ar elements riginal mod L/aPCL, post sented

F

 

F

 

Fig. A5. Valid

Fig. A6. Valid

dation result

dation result

s of leg 3‐po

s of individu

int bending.

al knee ligam

  

ment bundles in tension.

 

IRC-15-63 IRCOBI Conference 2015

- 544 -

Page 16: Development of a Full Body FE for Reconstructions - IRCOBIolid materi ents; ACL a e knee join pressive loa dled by the not bear c hose repre ar elements riginal mod L/aPCL, post sented

F

 

Fig. A7. Kinematics of pedestrian model during immpact from ssimplified car model at 770 km/h. 

IRC-15-63 IRCOBI Conference 2015

- 545 -