【摘 要】
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在摩托车-汽车碰撞事故中,摩托车手头部常与汽车风挡玻璃发生接触,导致风挡玻璃和头盔破坏失效。在碰撞过程中,人头发生复杂的旋转和平移运动,颅脑损伤风险极高。摩托车头盔可吸收碰撞过程中冲击能量,有效降低颅脑损伤几率和损伤程度。为了准确模拟整个碰撞过程,本文在ABAQUS软件中建立了头盔-风挡玻璃斜向碰撞有限元模型,研究颅脑损伤机制、头盔防护作用及风挡玻璃裂纹形式,为摩托车头盔设计和优化提供了理论指导。
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在摩托车-汽车碰撞事故中,摩托车手头部常与汽车风挡玻璃发生接触,导致风挡玻璃和头盔破坏失效。在碰撞过程中,人头发生复杂的旋转和平移运动,颅脑损伤风险极高。摩托车头盔可吸收碰撞过程中冲击能量,有效降低颅脑损伤几率和损伤程度。为了准确模拟整个碰撞过程,本文在ABAQUS软件中建立了头盔-风挡玻璃斜向碰撞有限元模型,研究颅脑损伤机制、头盔防护作用及风挡玻璃裂纹形式,为摩托车头盔设计和优化提供了理论指导。首先,将Horgan等人创建的成人头部生物力学模型颅骨内表面进行刚体约束,并将仿真得到的脑压曲线分别与Nahum实验和Trosseille实验结果进行比较,检验了人头有限元模型的有效性。采用Ghajari等人开发的摩托车头盔模型,考虑冲击过程中外壳复合材料的失效过程。依据ECE 22.05法规对头盔模型进行不同姿态冲击仿真模拟,验证了头盔模型的准确性和有效性。采用双线性固有内聚力模型分析汽车风挡玻璃,模拟玻璃层开裂和玻璃-PVB脱粘失效过程。然后,通过设置不同斜碰初始条件,深入研究了冲击速度、冲击角度、头盔-风挡玻璃间摩擦系数及头盔冲击姿态等对人头加速度、脑压、最大Von-Mises应力和最大主应变等颅脑损伤评定指标和头盔内能的影响。比较了纯人头和戴头盔两种斜碰模型中人头动力学响应和风挡玻璃破裂形式。研究结果表明:与纯人头斜碰相比,戴头盔斜碰明显降低了颅脑的损伤可能性和损伤程度。冲击速度和冲击角度对头部损伤机制有明显影响。头盔与风挡玻璃间的摩擦系数对角加速度、Von-Mises应力和主应变的影响较大。头盔侧部和后部碰撞导致头部发生DAI损伤和脑挫伤的可能性较高。最后,进一步研究了顶部泡沫密度、人头-泡沫间摩擦系数、头盔外壳材料及泡沫材料等对头部冲击响应和头盔防护性能的影响。结果表明:头盔顶部泡沫密度越小,泡沫吸收冲击能量越多,更能避免人头发生严重损伤。人头与泡沫间的摩擦系数对颅脑损伤评定指标影响不大。在低速斜碰过程中,相比复合材料头盔,热塑性材料外壳的头盔具有更好的保护性能。此外,采用软木泡沫材料能降低颅脑损伤几率。
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