Dynamic Performance Evaluation: HII 50th ile vs FAA HIII 50th ile

Slide1Dynamic Performance EvaluationHII 50 th  %ile vs. FAA HIII 50 th  %ile Gomez, Luis Olivares, Gerardo National Institute for Aviation Research (NIAR) December 4 th , 2013 The Seventh Triennial International Fire & Cabin Safety Research Conference

Slide2Agenda Scope  Hybrid II 50 th  %ile vs. FAA Hybrid III 50 th  %ile  Dynamic Sled Test Configurations – Part 25.562 Test (2) – 2 pt., 3 pt., and 4 pt. belt configurations – Head Path Analysis  Maximum Excursion  Head Velocity vs. Monument Distance – Load Transfer Analysis  Belt Loads  Seat Pan Loads  Dynamic Sled Test Configurations – Part 25.562 Test (1) – Rigid Seat – 4” Seat Cushion (Monolithic foam)  Conclusions – Dynamic Performance Comparison HII vs. FAA HIII 2

Slide3SCOPEDynamic Performance Evaluation HII 50 th  %ile vs. FAA HIII 50 th  %ile 3

Slide4Scope Compare  and  analyze  Hybrid  II  and  FAA  Hybrid  III  50 th   %iles compliance  data  to  determine  whether  significant  differences on  the  ATDs  responses  exist  or  not  when  related  to  aircraft seat  certification.  Data  comparison  is  conducted  using  results  gathered  from Part  25.562  tests.  All  tests  were  conducted  at  the  NIAR  sled accelerator.  To  reduce  the  scatter  of  the  data,  special  care  was taken  while  positioning  the  ATD  between  tests.  A  rigid  seat  structure,  including  a  foot  stopper,  was  used  on  all sled  tests.  8%  elongation  polyester  webbing  was  used  on  all  tests.  Data  is  separated  into  horizontal  and  vertical  part  25.562 conditions,  as  well  as  by  belt  configuration. 4

Slide5HII 50TH  %ILE VS. FAA HIII 50 TH  %ILE Dynamic Performance Evaluation HII 50 th  %ile vs. FAA HIII 50 th  %ile 5

Slide6The Hybrid II ATD 50 th  %ile was introduced in 1972 by General Motors and the National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA) and has been widely used in biomechanics research since then.  Federal Aviation Administration developed the dynamic certification requirements for aircraft seats during the 80’s based on the Hybrid II ATD 50 th  %ile. Hybrid II 50 th  %ile 6 Part Weight (lb) Head 11.2 Upper Torso 41.5 Lower Torso 35.9 Upper Arms 9.6 Lower Arms and Hands 9.6 Upper Legs 36.8 Lower Legs and Feet 19.4 Total Weight 164.0 *Source: Humanetics Crash Test Dummies Technical Information Description Dimension (in) Head Circumference 22.5 Head Width 6.1 Head Length 7.7 Erect Sitting Height 35.7 Shoulder to Elbow Length 13.8 Elbow to Finger Tip Length 18.1 Buttock to Knee Pivot Length 20.4 Knee Pivot to Floor Length 19.6

Slide7The FAA Hybrid III was developed by FAA, Civil AeroMedical Institute (CAMI), Denton ATD, Inc., and Robert A. Denton, Inc. during the 90’s. It has better bio-fidelity, can be better instrumented, and is easier to find replacement elements compared with the Hybrid II.  The FAA HIII ATD is based on the automotive std. HIII ATD except for the lumbar-pelvis region and upper leg elements which are based on a Hybrid II to provide the proper alignment for an erect spine seat posture to accomplish the aviation requirements. FAA Hybrid III 50 th  %ile 7 Part Weight (lb)  Head 10.0  Neck 3.4 Upper Torso 55.0 Lower Torso 33.6 Arms & Hands - L & R 19.4 Legs & Feet - L & R 57.1 Total Weight 164 *Source: Humanetics Crash Test Dummies Technical Information Description Dimension (in) Head Circumference 23.5 Head Width 6.1 Head Length 8.0 Erect Sitting Height 35.7 Shoulder to Elbow Length 13.3 Back of Elbow to Wrist  Pivot 11.7 Buttock to Knee Pivot Length 23.3 Knee Pivot to Floor Length 19.5

Slide8HIIFAA HIII * Includes neck and head weight 8 Hybrid II 50 th  %ile vs. FAA Hybrid III 50 th  %ile Regions Body Part HII (lb) FAA HIII (lb) I Head 11.2* 10 Neck 0 3.4 Upper Torso 41.5 37.9 Upper Arm  (both) 9.6 8.8 Lower Arm  & Hand (both) 9.6 10 II Lower Torso 35.9 37.9 III Upper Leg  (both) 36.8 34 Lower Leg & Foot (both) 19.4 24 Total ATD  Weight 164 166 Region  I (Mass above Lumbar Load Cell) 71.9 70.1 Region II (Lower Torso) 35.9 37.9 Region III (Low  Extremities) 56.2 58

Slide92-POINT BELT 0 DEGREESPART 25.562 Dynamic Performance Evaluation HII 50 th  %ile vs. FAA HIII 50 th  %ile 9

Slide10TEST #.ATD Serial# BELT TYPE ANGLE (deg) SEAT TYPE BELT MAT. CRASH PULSE 06165-3-4 HYB II 698 2 0 Rigid 100% Polyester 25.562 06165-1-2 FAA HYB III 290 2 0 Rigid 100% Polyester 25.562 Seat Back & Seat Pan Orientation Test Description - 2-Pt belt 0 degrees Part 25.562 10 HII FAA HIII

Slide112-Pt belt 0 degrees Part 25.562Head C.G. Disp./Vel. Comparison 11

Slide122-Pt belt 0 degrees Part 25.562Head Vel. Comparison w.r.t. Head Position 12 * Negative values means FAA HIII is under predicting with respect HII

Slide132-Pt belt 0 degrees Part 25.562Belt Loads Comparison  Similar results were obtained for the right lap belt.  Left lap belt comparison shows larger differences between ATDs. These differences may be attributed to the differences in mass in lower body regions as well as the different kinematics of the upper torso. 13

Slide142-Pt belt 0 degrees Part 25.562Seat Back/Pan Loads Comparison 14 *Note: Seat Pan and Back Loads (Tare Comp. and in Global Coordinates)    Overall both ATDs transfer similar loads to the rigid seat pan and seatback.

Slide152-Pt belt 0 degrees Part 25.562Videos HII vs. FAA HIII 15 HII FAA  HIII Side View Front View

Slide163-POINT BELT 0 DEGREESPART 25.562 Dynamic Performance Evaluation HII 50 th  %ile vs. FAA HIII 50 th  %ile 16

Slide17TEST #.ATD Serial# BELT TYPE ANGLE (deg) SEAT TYPE BELT MAT. CRASH PULSE 06165-10-11 HYB II 656 3 0 Rigid 100% Polyester 25.562 06165-12-13 FAA HYB III 289 3 0 Rigid 100% Polyester 25.562 Seat Back & Seat Pan Orientation Test Description - 3-Pt belt 0 degrees Part 25.562 17 HII FAA HIII

Slide183-Pt belt 0 degrees Part 25.562Head C.G. Disp./Vel. Comparison 18

Slide193-Pt belt 0 degrees Part 25.562Head Vel. Comparison w.r.t. Head Position 19 * Negative values means FAA HIII is under predicting with respect HII

Slide203-Pt belt 0 degrees Part 25.562Belt Loads Comparison  Similar results were obtained for the left lap belt.  Left shoulder lap belt comparison shows some differences between ATDs. These differences may be attributed to the differences in mass in upper body regions as well as the different kinematics of the upper torso. 20

Slide213-Pt belt 0 degrees Part 25.562Seat Back/Pan Loads Comparison 21 *Note: Seat Pan and Back Loads (Tare Comp. and in Global Coordinates)    Overall both ATDs transfer similar loads to the rigid seat pan and seatback.

Slide223-Pt belt 0 degrees Part 25.562Videos HII vs. FAA HIII 22 HII FAA  HIII Side View Front View

Slide234-POINT BELT 0 DEGREESPART 25.562 Dynamic Performance Evaluation HII 50 th  %ile vs. FAA HIII 50 th  %ile 23

Slide24TEST #.ATD Serial# BELT TYPE ANGLE (deg) SEAT TYPE BELT MAT. CRASH PULSE 06165-17-18 HYB II 656 4 0 Rigid 100% Polyester 25.562 06165-14-15-27 FAA HYB III 289 4 0 Rigid 100% Polyester 25.562 Seat Back & Seat Pan Orientation Test Description - 4-Pt belt 0 degrees Part 25.562 24 HII FAA HIII

Slide254-Pt belt 0 degrees Part 25.562Head C.G. Disp./Vel. Comparison 25

Slide264-Pt belt 0 degrees Part 25.562Head Vel. Comparison w.r.t. Head Position 26 * Negative values means FAA HIII is under predicting with respect HII

Slide274-Pt belt 0 degrees Part 25.562Belt Loads Comparison  Similar results were obtained for the lap belts.  Slightly differences can be observed on the shoulder belts (both sides). These differences may be attributed to the differences in mass in upper body regions as well as the different kinematics of the upper torso. 27

Slide284-Pt belt 0 degrees Part 25.562Seat Back/Pan Loads Comparison 28 *Note: Seat Pan and Back Loads (Tare Comp. and in Global Coordinates)    Overall both ATDs transfer similar loads to the rigid seat pan and seatback.

Slide294-Pt belt 0 degrees Part 25.562Videos HII vs. FAA HIII 29 HII FAA  HIII Side View Front View

Slide302-POINT BELT 60 DEGREESPART 25.562 Dynamic Performance Evaluation HII 50 th  %ile vs. FAA HIII 50 th  %ile 30

Slide31TEST #.ATD Serial# BELT TYPE ANGLE (deg) SEAT TYPE BELT MAT. CRASH PULSE 06165-5,6,25,26 HYB II 698 2 60 Rigid 100% Polyester 25.562 06165-7,8,28 FAA HYB III 289 2 60 Rigid 100% Polyester 25.562 Seat Back & Seat Pan Orientation Test Description - 2-Pt belt 60 degrees Part 25.562 31 HII FAA HIII

Slide322-Pt belt 60 degrees Part 25.562Lumbar Loads Comparison  All tests passed satisfactorily the Lumbar Fz criteria  Observe that the FAA HIII lumbar load is up to 23% larger than the one obtained with the HII.  This effect will be even larger for part 23.562 scenarios and highly cushioned configurations. 32

Slide332-Pt belt 60 degrees Part 25.562Seat Back/Pan Loads Comparison 33 *Note: Seat Pan and Back Loads (Tare Comp. and in Sled Global Coordinates)  Overall both ATDs transfer similar loads to the rigid seat pan and seatback.

Slide342-Pt belt 60 degrees Part 25.562Videos HII vs. FAA HIII 34 HII FAA  HIII Side View Front View

Slide352-POINT BELT 60 DEGREES CUSHIONPART 25.562 Dynamic Performance Evaluation HII 50 th  %ile vs. FAA HIII 50 th  %ile 35

Slide36TEST #.ATD Serial# BELT TYPE ANGLE (deg) SEAT TYPE BELT MAT. CRASH PULSE 06165- 20,24,19A HYB II 655 2 60 Cushion 100% Polyester 25.562 06165-21,22,23 FAA HYB III 289 2 60 Cushion 100% Polyester 25.562 Seat Back & Seat Pan Orientation Test Description - 2-Pt belt 60 degrees Cushion Part 25.562 36 HII FAA HIII

Slide372-Pt belt 60 degrees Cushion Part 25.562Lumbar Loads Comparison  Despite all HII’s tests passed the lumbar criteria (all loads recorded similar peak values and were very close but below 1500 lbf), the FAA HIII did not (values in the range of 2000 lbf).  The maximum difference recorded when biasing with the HII ATD of 63% is dramatic (≈900 lbf).  This difference can also be observed for part 23.562 scenarios, even without the cushion. 37

Slide382-Pt belt 60 degrees Cushion Part 25.562Seat Back/Pan Loads Comparison 38 *Note: Seat Pan and Back Loads (Tare Comp. and in Sled Global Coordinates)  In accordance with the previous slide, the FAA HIII ATD transfers higher seat pan loads on the Z axis.

Slide392-Pt belt 60 degrees Cushion Part 25.562Videos HII vs. FAA HIII 39 HII FAA  HIII Side View Front View

Slide40CONCLUSIONSDYNAMIC PERFORMANCE COMPARISON HII VS. FAA HIII Dynamic Performance Evaluation HII 50 th  %ile vs. FAA HIII 50 th  %ile 40

Slide41Conclusions Head Excursion – Similar head excursion is obtained for the 2pt belt configuration. – FAA HIII has a larger head excursion for the 3pt and 4pt belt configurations (≈1.5”).  Head Velocity – Due to the additional neck flexibility, the  FAA HIII head velocity is larger, particularly for the 3pt and 4pt belt restraint systems. – The difference in resultant head velocity increases as the head excursion increases (up to 60%).  Load Transfer – Overall, the FAA HIII and HII ATDs transfer similar loads into the seat belt and the rigid seat. Nevertheless, for the 2pt configuration the HII ATD resulted in higher belt loads.  Lumbar Load – In general, FAA HIII lumbar load is higher than the one obtained using the HII (≈20- 60%). – This difference increases as the vertical relative velocity of the upper torso increases (thick seat cushions and/or higher acceleration pulses (Part 23.562)). 41

Slide42Thank youLuis Gomez,  luismanuel@niar.wichita.edu NIAR –  www.niar.wichita.edu