Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 3 (1): 10-22
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Universidad Autónoma de Baja California ISSN 2594-1925
Volumen 6 (2): e249. Abril-Junio, 2023. https://doi.org/10.37636/recit.v6n2e249
ISSN: 2594-1925
1
Artículo de investigación
Modelo numérico de un maniquí cabeza-cuello para
pruebas de choque
Numerical model of a head-neck dummy for crash tests
Dariusz Szwedowicz1† , Quirino Estrada2, Elva Lilia Reynoso Jardón2, Julio Vergara-
Vazquez3, Jesús Silva-Aceves2, Lara Wiebe Quintana2, Alejandro Rodríguez-Méndez4,
José Alfredo Ramírez Monares2
1Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico (TecNM CENIDET), Interior Internado Palmira S/N,
Palmira, 62490 Cuernavaca, Morelos, México
2Instituto de Ingeniería y Tecnología, Universidad Autónoma de Ciudad Juárez, Ciudad Juárez, Chihuahua, México
3Unidad Profesional Interdisciplinaria de Ingeniería, Campus Palenque (UPIIP)/IPN, México 199, Nueva Esperanza,
29960 Palenque, Chiapas, México
4Department of Mechanical Engineering, University of California Berkeley, Berkeley, California, United States
Autor de correspondencia: Quirino Estrada, Instituto de Ingeniería y Tecnología, Universidad Autónoma de Ciudad Juárez,
Ciudad Juárez, Chihuahua, México. E-mail: quirino.estrada@uacj.mx. ORCID: 0000-0003-0623-3780.
Recibido: 30 de Marzo del 2023 Aceptado: 5 de Junio del 2023 Publicado: 14 de Junio del 2023
Resumen. – Cuando un choque automotriz ocurre, la energía de impacto se transfiere a los pasajeros lo
cual provoca lesiones graves y decesos. Con el objeto de analizar el efecto de las cargas dinámicas en el
cuerpo humano, el uso de maniquíes de impacto está en incremento. Sin embargo, su costo es demasiado
alto, así como su accesibilidad. Por lo tanto, el presente artículo propone el diseño y desarrollo de un
modelo discreto que representa la cabeza y cuello de un maniquí para pruebas de impacto utilizando el
software de elemento finito Abaqus. El modelo está conformado por cabeza, región cervical (cuello)
incluyendo discos cervicales y discos intervertebrales. La evaluación del conjunto cabeza-cuello se llevó
a cabo a través de una prueba de péndulo. Durante la evaluación de parámetros tales como la
aceleración, la fuerza de velocidad y posición angular de la cabeza fueron obtenidos. Finalmente, los
resultados de la viabilidad del modelo fueron validados mediante el fenómeno de latigazo.
Palabras clave: Modelo antropomórfico; Maniquí de pruebas; Método de elemento finito; Prueba de péndulo;
Cabeza-cuello.
Abstract. – When car crashes occur, the impact energy is transferred to passengers, provoking fatalities,
and severe injuries. In this sense, the use of dummies to analyze the effect of dynamic loads on the human
body is increasing. However, its cost is generally expensive and difficult to acquire. Thus, the current
article proposes designing and developing a head-neck dummy using Abaqus finite element method
software. The design of the dummy model is formed by the head, and neck which are formed by cervical
and intervertebral plates. The assessment of the new head-neck model was carried out by a pendulum test.
During the evaluation of parameters such as acceleration, velocity force, and angular position of the head
were obtained. Finally, the results of the viability of the model were validated through the whiplash
phenomenon.
Keywords: Anthropomorphic model; Crash dummy; Finite element simulation; Head-neck; Pendulum test.
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1. Introducción
A partir de los altos estándares requeridos para la
seguridad de los pasajeros el concepto de
crashworthiness se ha priorizado entre
ingenieros y diseñadores automotrices [1-2]. Tal
concepto se refiere a la capacidad de las
estructuras para soportar cargas de impacto a la
vez que mantienen seguros a los ocupantes
durante las colisiones [3-4]. Además, los
impactos pueden ocurrir en forma frontal [5-6],
trasero [7-8], y lateral [9-10]. En este sentido
diversas zonas del cuerpo presentan un alto
índice de riesgo que pueden ocasionar la muerte
de los pasajeros. Sin embargo, las zonas con
mayor afectación se encuentran entre la región
cervical y la cabeza [11-14]. Con el objeto de
estudiar la biomecánica el empleo de dispositivos
antropomórficos denominados dummies está en
incremento [15-17].
Los dummies son dispositivos con características
similares en cuanto a masa y talla de los seres
humanos [18]. Si bien los dummies físicos son
una alternativa para el análisis de la biomecánica
del cuerpo humano, presentando algunas
desventajas tales como altos costos y limitada
biofidelidad para condiciones de carga
específicas. En contraparte el método de
elemento finito llega a posicionarse como una
herramienta efectiva, robusta y de bajo costo [19-
20]. En este sentido, diversos modelos discretos
de neck dummy han sido desarrollados y
evaluados computacionalmente [21-24].
Nursherida et al. [25] desarrollaron y validaron
un modelo numérico de neck dummy infantil
durante choques automovilísticos utilizando LS-
DYNA. Durante el estudio numérico se
evaluaron parámetros tales como la flexión y la
extensión del cuello en términos de la velocidad
y momento. En conclusión, se determinó la
biofidelidad del modelo discreto para representar
la biomecánica del conjunto cuello-cabeza. Yu et
al. [26] desarrollaron y validaron
experimentalmente un modelo tridimensional de
un sub-ensamble cabeza-cuello de un dummy
masculino (THOR 50th). Para proporcionar
mayor biofidelidad al modelo discreto, el efecto
de los ligamentos se representó a través de
arreglos cables-resortes. La validación se realizó
con datos experimentales para pruebas de trineo
y péndulo. White et al. [27] estudiaron numérica
y experimentalmente la respuesta de un modelo
antropomórfico de la región cabeza-cuello
durante el impacto de aeronaves de ala rotatoria.
En todos los casos los modelos computacionales
se usó el software LS-DYNA. La biofidelidad del
modelo computacional (head-neck dummy) se
validó experimentalmente a través de un ensayo
de trineo. Como conclusión la efectividad y
exactitud del modelo discreto fue corroborada.
Finalmente, el desarrollo de modelos
computacionales/FEM de dispositivos
antropomórficos de la región cabeza-cuello (neck
dummy) permite analizar la biomecánica de dicha
región con una mayor precisión y con una
reducción de tiempo y costos considerables.
Sin embargo, aún se encuentran limitaciones en
el diseño de la región cervical e interacción de
ligamentos y músculos. Por tanto, el presente
proyecto propone el diseño de un modelo
antropomórfico de un head-neck dummy
empleando el software de elementos finitos
Abaqus. Durante el análisis se puso principal
énfasis en la biofidelidad del modelo mecánico,
así como en las propiedades de los materiales. La
evaluación del modelo se realizó a través de un
ensayo de péndulo.
2. Anatomía del conjunto cabeza-cuello
humano
El esqueleto óseo del cuello está conformado por
siete vértebras cervicales y ocho pares de nervios
cervicales los cuales se encuentran localizados
entre el cráneo y la cavidad torácica [28]. El
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objetivo de las vértebras cervicales es soportar el
cráneo, brindar estabilidad durante los
movimientos de la cabeza, así como proteger la
médula espinal. Las vértebras cervicales están
nombradas como C1, C2, C3, C4, C5 C6 y C7
(ver Figura 1). La vértebra C1 o atlas está ubicada
en la parte inferior del cráneo su principal
función es sostener el cráneo, presenta una forma
anular con dos masas laterales reales [29]. La
vértebra cervical C2 denominada axis brinda
soporte y sobre esta rota la vértebra atlas en
conjunto con la cabeza. Por su parte las vértebras
C3 a C7 forman parte de la región cervical
inferior. En este sentido la vértebra C7 es una
vértebra de transición y tiene características
similares a las vértebras torácicas, también se
denomina vértebra prominente. Finalmente, a
partir de la interacción del esqueleto óseo,
músculos y ligamentos, el cuello puede realizar
movimientos de flexión (0-35º), extensión (0-
35º), rotación y flexión lateral (0-45º).
Figura 1. a) Anatomía del conjunto cabeza-cuello, b) vista lateral de vértebras
3. Diseño mecánico del conjunto cabeza
cuello de maniquí antropomórfico
A partir de la anatomía y estudio de la cinemática
del cuello y cabeza humano, se diseñó un sistema
mecánico de la región cervical y cabeza de un
adulto promedio. El diseño está conformado por
discos de aluminio que representan las vértebras,
así como platos de goma vulcanizada que
incorporan los discos intervertebrales. El diseño
de la cabeza se aproximó a la morfología humana
y fue unida a la región cervical a través de una
unión de pasador, confiriéndole capacidad de
movimiento de flexión y extensión. Por su parte
la unión de los platos de goma y discos de
aluminio (vértebras) es a través de pegamento
epóxico desde que brinda versatilidad y
resistencia en el proceso de unión. En este
sentido, el sistema mecánico puede representar la
cinemática, rigidez y amortiguamiento del
conjunto cabeza-cuello. Detalles del diseño
simplificado es presentado en la Figura 2.
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Figura 2. Diseño mecánico simplificado del maniquí cabeza–cuello
4. Modelado de materiales empleados en el
diseño del maniquí de pruebas
La efectividad del modelo discreto depende del
correcto modelado de las propiedades mecánicas
de los componentes del maniquí. En este sentido,
modelos elastoplásticos isotrópicos fueron
utilizados tanto para los discos cervicales
(AL6063 T5) como para la cabeza fabricada con
PVC. Por su parte los discos intervertebrales se
modelaron con propiedades hiperelásticas, es
decir un comportamiento elástico no lineal [30-
31]. La hiperelasticidad se puede expresar en
términos de la energía potencial de deformación
W(E), la cual describe la cantidad de energía de
deformación almacenada por unidad de volumen
bajo un estado de deformación dado [32-33].
Para el caso específico del presente artículo se
utilizó el modelo de Marlow para el modelado de
hiperelasticidad de la goma vulcanizada el cual
es definido a través de la Ec. 1. Donde I1 se refiere
a la primera invariante del tensor de deformación,
Wdev corresponde a la componente Devia teórica
de la función de energía, Wvol es la componente
volumétrica de la función de energía y Jel es, la
razón de cambio de volumen [33].
Desde que el comportamiento del maniquí es
dominado por la acción de los discos
intervertebrales, se validó el comportamiento de
la goma vulcanizada a través de un ensayo a
tensión experimental desarrollado previamente
en [30] y comparado experimentalmente con la
literatura [34]. La comparación de resultados se
muestra en la Figura 3 donde una diferencia
cercana al 1.5% es observada. El
comportamiento del material es el esperado
presentando al inicio una deformación inicial con
una aceptable resistencia (0.4 MPa), para luego
dar paso a la relajación del mismo.
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Figura 3. Curva esfuerzo vs deformación para un ensayo a tensión de goma vulcanizada
5. Modelo discreto y análisis por FEM
En la Figura 4 se presenta el modelo discreto del
conjunto cabeza-cuello el cual se desarrolló en el
software de elementos finitos Abaqus/Explicit.
El modelo está conformado por discos de
aluminio que representan las vértebras, platos de
goma para modelar los discos intervertebrales.
En todos los casos los componentes se modelaron
con elementos C3D8R. Los discos cervicales
fueron modelados con propiedades mecánicas
para aluminio 6063-T5 con módulo de Young (E)
de 66940 MPa, Coeficiente de Poisson (υ) de
0.33, límite de fluencia de 158.79 MPa y
densidad (ρ) de 2700 kg/m3 [35]. La cabeza se
construyó con vinyl y se consideró el E igual a
3.0 MPa, υ de 0.32 y densidad de 1700 kg/m3.
Por su parte los discos intervertebrales fueron
modelados a través del modelo hiperelástico de
Marlow. Respecto a las condiciones de frontera,
se aplicó una condición de pegado para la unión
de discos cervicales y platos intervertebrales. La
evaluación del modelo discreto se desarrolló a
través de una prueba de péndulo. En este sentido,
el maniquí es colocado en el extremo libre del
péndulo el cual se deja caer desde una posición
inicial de 75°. Al momento del impacto, el
péndulo tiene una velocidad de 7.05 m/s. Detalles
del modelo discreto de presenten en la Figura 4.
Figura 4. Detalles del modelo discreto y prueba de péndulo, unidades de longitud en mm.
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6. Resultados y Discusiones
Los resultados obtenidos se presentan en las
Figuras 5, 6, 7. En este sentido las principales
variables a medir son la posición angular,
aceleración y velocidad de la cabeza. Al
momento del impacto péndulo/goma, el modelo
discreto representa correctamente la cinemática
característica del cuello y cabeza durante un
choque frontal. El movimiento referido es
caracterizado por un movimiento de
prolongación (hacia adelante) que a su vez
provoca una hiperflexión del cuello más allá de
los limites normales. Posteriormente se inicia una
segunda etapa en la cual se produce un cambio de
sentido del movimiento del cuello (retracción)
que da lugar a un movimiento de extensión.
Físicamente ocurre un cambio de aceleración que
da origen al fenómeno de latigazo. En ambos
casos la efectividad del modelo discreto es
comprobada desde que es visible el fenómeno de
latigazo/ whiplash.
Figura 5. Fases del movimiento del maniquí cabeza - cuello durante choque frontal, I
Figura 6. Fases del movimiento del maniquí cabeza-cuello durante choque frontal, II
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Respecto a los valores obtenidos, al inicio del
impacto el maniquí tiene una velocidad inicial
7.05 m/s, posteriormente por acción de las
fuerzas inerciales el maniquí continua con su
trayectoria (movimiento de flexión) hacia el
frente aumentado su aceleración y velocidad
hasta alcanzar los 3000 m/s2 y 5.2 m/s,
respectivamente. Una vez que se ha alcanzado la
posición máxima medida respecto al eje vertical
de 42° (ver Figura 7), el movimiento del maniquí
cambia de dirección para convertirse en un
movimiento de extensión hasta alcanzar una
velocidad de 3.5 m/s y la aceleración en
promedio es de 1000 m/s2. Finalmente, la Figura
8 presenta la posición angular del cuello, medida
respecto al eje vertical. Tal y como se puede
observar la cabeza presenta un movimiento de
flexión máximo hasta alcanzar aproximadamente
42°, posteriormente se inicia la transición hacia
el movimiento de extensión donde se alcanza un
máximo de 20°. A partir de lo anterior, el modelo
discreto puede aproximar la cinemática de la
cabeza y cuello en un choque frontal de manera
satisfactoria desde que reproduce correctamente
los movimientos de flexión y extensión
Figura 7. Respuesta mecánica del maniquí cabeza-cuello, donde a) velocidad medida en la base del cuello, b) aceleración
lineal medida en la cabeza
Figura 8. Posición angular de la cabeza
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4. Conclusiones
Se desarrolló un modelo computacional de un
maniquí cabeza- uello humano para pruebas de
choque usando el software de elementos finitos
Abaqus. A partir del análisis de la biomecánica y
cinética del modelo discreto se concluye lo
siguiente:
1. La biofidelidad del sistema depende en gran
medida del sistema de articulación entre la
cabeza y cervicales, propiedades inerciales y
propiedades mecánicas de los discos de goma
(discos intervertebrales).
2. La selección de goma vulcanizada para el
modelado de la rigidez y propiedades de
amortiguamiento del cuello fue correcta, desde
que se obtuvo la cinemática y modelado del
fenómeno de latigazo. Es decir, se reproduce
correctamente los movimientos de hiperflexión y
posterior retracción (latigazo).
3. La efectividad del modelo discreto fue
corroborada a través de una prueba de péndulo.
En este sentido el modelo discreto representó
correctamente los movimientos de flexión y
extensión, así como valores de velocidad,
aceleración, y posición angular.
4. A partir del punto 3, el modelo discreto del
maniquí cabeza-cuello presentado en este
artículo, representa una herramienta útil para el
análisis de la cinemática del cuello que permiten
predecir las lesiones cervicales más recurrente en
choques frontales, traseros.
5.- Reconocimiento de autoria
Quirino Estrada & Dariusz Szwedowicz:
Conceptualización; Análisis formal;
Metodología. Elva Lilia Reynoso Jardón:
Investigación. Julio Vergara Vázquez:
Investigación. Jesús Silva: Borrador e ideas.
Lara Wiebe Quintana y Alejandro Rodríguez
Méndez; Análisis de datos; José Alfredo Ramírez
Monares: Escritura y Metodología.
6.- Reconocimiento especial
Este trabajo está dedicado a la memoria del Dr.
Dariusz Szwedowicz, quienes trabajamos con él,
amigos, colegas y estudiantes, expresamos
nuestro agradecimiento y reconocimiento por su
invaluable calidad humana, así como por su
contribución en el diseño mecánico y campo de
la Ingeniería Mecánica por más de 30 años en
México. Formador de investigadores su legado
continúa, Q.E.P.D amigo y muy querido
Profesor.
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Derechos de Autor (c) 2023 Quirino Estrada, Dariusz Szwedowicz, Elva Lilia Reynoso Jardón, Julio Vergara-Vazquez, Jesús
Silva-Aceves, Lara Wiebe Quintana, Alejandro Rodríguez-Méndez, José Alfredo Ramírez Monares
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