基于损伤生物力学的摩托车头盔结构设计和防护性能研究

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在摩托车碰撞事故中,人体头部是最容易发生严重或致命损伤的部位,正确佩戴头盔是降低碰撞事故中人体头部损伤的有效途径。虽然佩戴摩托车头盔能够降低头部损伤概率以及损伤程度,但随着交通状况的日益复杂,传统头盔面临的防护性能不足问题逐渐凸显出来,在佩戴头盔情况下的头部碰撞损伤仍时有发生。因此,有必要通过进一步提高头盔的防护性能降低头部碰撞损伤。相关研究表明,在防护头盔设计中吸能缓冲层是吸收碰撞动能的最主要部分,但由均匀密度材料制成的传统头盔吸能缓冲层严重制约着头盔防护性能的发挥。采用合理设计的头盔吸能缓冲层能够有效提升其吸能能力,且该方法已成为改善头盔防护性能的主要方式。针对传统头盔面临的防护性能不足和防护机理揭示不清楚等关键问题,本文通过实验、有限元仿真以及设计优化的方法对头盔的防护性能开展研究,旨在提高头盔的防护性能的同时为新型头盔结构的开发和设计提供思路和指导。主要内容如下:(1)建立并验证摩托车头盔-头部耦合有限元模型。以商业化摩托车头盔为基础,利用三维扫描和几何逆向重构技术获取头盔几何模型,通过几何模型建立头盔有限元模型;利用刚性头有限元模型耦合头盔模型进行跌落碰撞仿真;根据摩托车头盔碰撞法规ECE R22.05进行刚性头佩戴头盔的标准跌落实验,获取实验过程中传递至刚性头质心位置的加速度;利用实验数据验证头盔模型的准确性;(2)功能梯度仿生头盔防护性能与头部损伤分析。为了提高摩托车头盔防护性能降低头部损伤风险,引入功能梯度仿生泡沫结构替代传统头盔的均匀密度泡沫吸能缓冲层。通过头盔耦合生物力学头部有限元模型,获取撞击过程中头部质心加速度、生物力学响应和头盔结构响应,综合分析不同密度梯度泡沫对头盔防护能力的影响。结果表明,功能梯度泡沫结构在中高速冲击下有更明显的优势。相比传统头盔吸能缓冲层的均匀泡沫密度方案和新型头盔的正/负密度梯度方案,最大密度为80 kg/m~3的负密度梯度泡沫设计方案可以更有效改善头盔结构碰撞响应并降低碰撞过程中头部损伤,且随着密度差的增大,负密度梯度头盔的防护性能得到了进一步提高。(3)蜂窝填充头盔防护性能分析与优化设计。为进一步提高复杂工况下头盔防护性能,采用离散优化方法对路缘石砧撞击工况下的轻质蜂窝铝填充头盔吸能衬垫结构进行探究。基于实验验证的蜂窝铝面外压缩有限元模型,建立蜂窝铝填充头盔有限元模型,对比分析了平砧和路缘石砧撞击工况下传统头盔与蜂窝填充头盔的防护性能,并深入探究了蜂窝结构参数对头盔防护性能的影响。结果表明路缘石砧撞击工况头部损伤低于平砧工况,且具有较低壁厚和较大边长的蜂窝填充设计能够有效提高头盔的防护性能从而降低头部损伤。为获取最优的头盔防护性能,选用离散优化方法探究了路缘石砧撞击工况下蜂窝填充头盔结构参数的最佳组合,优化后的新型蜂窝填充头盔的防护性能得到明显的提升。
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