溫為才 李遠(yuǎn)新 付東明

(1.五邑大學(xué)機電學(xué)院，江門 529000；2.江門出入境檢驗檢疫局，江門 529000)

0 引言

摩托車引起的交通事故傷亡中，因顱腦損傷致死的高達(dá)約80%，這與頭盔佩戴率低、頭盔質(zhì)量低劣等因素有關(guān)[1]。歐洲摩托車乘員頭盔標(biāo)準(zhǔn)ECE R22.05和我國摩托車乘員頭盔標(biāo)準(zhǔn)GB 811—1998中規(guī)定了頭盔安全性能評估的兩個重要指標(biāo): 頭部損傷判斷準(zhǔn)則(Head Injury Criterion, HIC)及加速度峰值(Peak ACC)。頭部損傷判斷準(zhǔn)則(HIC)源于著名的“韋恩頭部損傷極限曲線(Wayne State Tolerance Curve)”[2]，是目前較為廣泛被接受的、用來衡量頭部在外來載荷下安全性的一種損傷判斷準(zhǔn)則。文獻[3]就頭部有限元模型的發(fā)展過程及最新進展進行了較為全面的綜述。文獻[4]采用有限元方法對人類頭部有限元模型進行三張不同的加載，模擬腦組織在限制了HIC值為1000時的應(yīng)力，認(rèn)為用HIC值來衡量直接撞擊下頭部損傷的可能性具有一定的科學(xué)性和可靠性。

目前，對摩托車頭盔安全性能的研究主要集中在頭部碰撞的模擬分析、生物力學(xué)實驗等方面[5]。針對頭盔本身防碰撞性能的研究較為少見，而頭盔的緩沖層對于頭盔的防碰撞性能具有重要意義。本文主要從緩沖層的密度與結(jié)構(gòu)設(shè)計入手，構(gòu)建了雙密度串并聯(lián)EPS緩沖結(jié)構(gòu)的頭盔模型，并試制了不同緩沖層密度設(shè)計的頭盔樣品?；跉W洲頭盔標(biāo)準(zhǔn)ECE R22.05進行了實驗設(shè)計，對不同密度和結(jié)構(gòu)設(shè)計的頭盔緩沖層在碰撞過程中的動態(tài)響應(yīng)特性進行測試分析，從而研究緩沖層有效降低頭盔碰撞過程的HIC及Peak ACC值的密度與結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)律。

1 人體頭部受撞擊的損傷指標(biāo)

1.1 蓋德?lián)p傷指標(biāo)(Gadd Severity Index, GSI)

Gadd[6]等用雙對數(shù)坐標(biāo)畫韋恩曲線，發(fā)現(xiàn)可用直線近似描述韋恩曲線，以此為基礎(chǔ)提出GSI指標(biāo)。

(1)

式中：a為撞擊過程中頭部質(zhì)心合加速度，以g(g=9.81m/s2)為單位；n為大于1的加權(quán)指數(shù);T為沖擊歷經(jīng)總時間；t為沖擊過程的時間變量。

從式(1)可以看出GSI值是整個撞擊過程中頭部承受加速度的加權(quán)的積分，其缺點并沒有直接反映到峰值加速度對頭部傷害的影響。研究表明，當(dāng)GSI值大于1000時，則認(rèn)為此沖擊會對頭部產(chǎn)生嚴(yán)重的撞擊傷害。

1.2 頭部損傷判斷準(zhǔn)則(Head Injury Criterion, HIC)

Versace[7]對GSI指標(biāo)進行修改，得出HIC準(zhǔn)則，該準(zhǔn)則在1972年被采納為美國聯(lián)邦機動車輛安全標(biāo)準(zhǔn)(FMVSS 208)。

(2)

式中:t1是撞擊過程中的任意時刻；t2是以t1為起始時刻而使等式右邊求得最大值的那個時刻。

HIC準(zhǔn)則被各國的汽車安全法規(guī)所采納，同時也是現(xiàn)行的頭部損傷防護裝置(如安全頭盔)設(shè)計的重要參考標(biāo)準(zhǔn)。

2 雙密度串并聯(lián)EPS緩沖結(jié)構(gòu)頭盔模型的建立

本文構(gòu)建了一種適用于越野摩托車的安全頭盔幾何模型，主要由殼體、雙密度串并聯(lián)EPS緩沖層、襯墊組成，如圖1和圖2所示。其中緩沖層在頭頂部分為內(nèi)、外兩層進行“并聯(lián)”，并選用密度分別ρ和ρ1的 EPS材料，而頭盔B和R處的緩沖材料密度為ρ，且與P點處外層材料“串聯(lián)”為一體，從而形成雙密度串并聯(lián)結(jié)構(gòu)EPS緩沖層。頭盔EPS緩沖材料密度ρ1取0.014 g/cm3，密度ρ分別取0.05，0.06，0.07，0.08 g/cm3四種，并制備若干樣品。

3 實驗設(shè)計與分析

3.1 基于ECE R22.05標(biāo)準(zhǔn)的實驗方法設(shè)計

從ECE R22.05標(biāo)準(zhǔn)可知，采用平砧法將頭盔從3m高度自由下落進行碰撞實驗可以有效進行頭盔的防碰撞性能測試，碰撞過程示意圖如圖3所示。本文設(shè)計的實驗將高度提高至3.05m，以保證一定的余量。此外，平砧法測試時還對頭盔進行高溫處理以模擬高溫天氣下的真實碰撞環(huán)境，實驗前需將頭盔樣品放置于溫度為50°C，濕度為65%的烤箱中烘烤4～6h。根據(jù)ECE R22.05標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計平砧法頭盔碰撞測試及其評估標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。雙密度串并聯(lián)EPS緩沖結(jié)構(gòu)頭盔模型采用平砧法進行碰撞測試，能可靠獲取標(biāo)準(zhǔn)頭部模型的HIC及Peak ACC值。

1.殼體；2.雙密度串并聯(lián)結(jié)構(gòu)EPS緩沖層；3.襯墊圖1 越野型頭盔構(gòu)成示意圖

圖2 頭盔的B、R、P測試點位置

1.滑桿；2.M型標(biāo)準(zhǔn)頭部模型；3.測試頭盔；4.鋼板圖3 平砧法頭盔碰撞測試示意圖

表1 ECE R22.05平砧法頭盔碰撞測試及其評估標(biāo)準(zhǔn)

3.2 實驗研究

3.2.1 EPS緩沖層密度對Peak ACC與HIC值的影響

按照上述實驗設(shè)計，通過對四種不同密度ρ的EPS緩沖層的頭盔樣品進行碰撞測試，獲得標(biāo)準(zhǔn)頭部模型質(zhì)心合加速度的變化曲線。從圖4可看出，頭部B、R、P點的Peak ACC最大值(峰值加速度)發(fā)生在P點的碰撞，且對應(yīng)的EPS密度為0.08g/cm3。在B點處進行平砧法碰撞時，四個密度設(shè)計對應(yīng)的頭部峰值加速度都小于200g，而P點則全部大于200g。當(dāng)EPS密度ρ取0.06g/cm3時，頭部模型在P點附近碰撞中可以獲得四種密度對應(yīng)峰值加速度的最小值，在B、R點的碰撞過程中也未超過170g。

通過頭盔碰撞實驗還可得到頭部模型的峰值加速度(Peak ACC)及HIC值，測試結(jié)果如表2所示。

圖4 不同EPS密度對應(yīng)的頭部模型質(zhì)心合加速度曲線

表2 頭部模型R、B和P點不同密度ρ對應(yīng)的測試數(shù)據(jù)

從表2所得的Peak ACC和HIC與EPS緩沖層密度的關(guān)系可以用式(3)進行擬合：

Peak ACC(或HIC)=C3ρ3+C2ρ2+C1ρ+C0

(3)

得到擬合系數(shù)如表3所示。通過擬合成曲線可直觀地分析頭部碰撞時的Peak ACC和HIC值與EPS緩沖層密度的關(guān)系，如圖5所示。

表3 擬合系數(shù)

圖5 Peak ACC和HIC值與EPS密度的關(guān)系

從圖5可看出，EPS材料密度ρ約為0.06g/cm3時頭盔碰撞的Peak ACC和HIC可獲得最佳值(最小值)，表明此時緩沖層可以對頭部提供最好的緩沖效果。當(dāng)密度ρ大于0.076 g/cm3時EPS材料作為緩沖層無法通過頭盔跌落沖擊測試的ECE R22.05標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.2 雙密度串并聯(lián)結(jié)構(gòu)EPS緩沖層的能量吸收分析

根據(jù)前述實驗設(shè)計，通過調(diào)整雙密度串并聯(lián)結(jié)構(gòu)EPS材料的密度ρ1和ρ，并按照已知頭型質(zhì)量m=5.66kg，ρ1=0.014g/cm3，沖擊初速度v1=7.60m/s，沖擊能E1=164J， 在頭部模型R、B、P點分別碰撞鋼板得到測試結(jié)果如表4所示。

表4 頭部模型碰撞測試數(shù)據(jù)

從表4可看出，當(dāng)密度ρ1取0.014g/cm3，ρ為0.06 g/cm3時，頭盔碰撞的Peak ACC和HIC值最小，分別為207.5g和1968。由于密度ρ1為0.014g/cm3的EPS緩沖層吸能小、應(yīng)力小但形變大，使P點總的受力面積比單一密度ρ的結(jié)構(gòu)受力面積要大，從而降低Peak ACC值和HIC值；此時，P點沖擊第一次沖擊-回彈階段吸能效率η降到76%左右，頭盔相對回彈率ξ達(dá)到48%，其中P點的相對回彈率高，這是因為密度低于0.04g/cm3的EPS材料在壓縮過程主要是以彈性形變?yōu)橹鞫撬苄孕巫僛8]。因此，結(jié)合表1的評估標(biāo)準(zhǔn)可知，雙密度串并聯(lián)結(jié)構(gòu)EPS緩沖層具有較好的沖擊能吸收效果。

4 結(jié)論

為滿足某越野型頭盔防碰撞性能的研究需求，構(gòu)建了雙密度串并聯(lián)結(jié)構(gòu)EPS緩沖層設(shè)計的頭盔模型，試制了不同密度設(shè)計的頭盔樣品?；跉W洲摩托車頭盔標(biāo)準(zhǔn)ECE R22.05對HIC和Peak ACC值的相關(guān)測試規(guī)定，采用平砧法對頭盔樣品碰撞過程的動態(tài)特性進行測試分析，根據(jù)實驗結(jié)果分析得出以下結(jié)論：

1)密度約0.06g/cm3的EPS材料可以獲得最小的峰值加速度和HIC值，而密度超過0.076g/cm3的EPS材料則不能通過ECE R22.05標(biāo)準(zhǔn)；

2)雙密度串并聯(lián)結(jié)構(gòu)EPS緩沖層在頭部碰撞過程中可以產(chǎn)生兩個較低的Peak ACC值，從而避免了單層緩沖帶來的較大Peak ACC值，即通過二級緩沖可以對頭部提供更有效的保護，這也符合韋恩曲線的意義；

3)在滿足ECE R22.05標(biāo)準(zhǔn)要求的頭盔P點撞擊測試中，頭盔頂部的雙密度串并聯(lián)結(jié)構(gòu)EPS緩沖層吸能效率大于76%，相對回彈率小于50%，EPS緩沖材料具有良好的吸能效果，未發(fā)生失效。

本文對頭盔緩沖層材料、結(jié)構(gòu)與密度設(shè)計對頭盔防碰撞性能的影響進行了實驗研究，主要通過實驗獲取頭部模型的HIC和Peak ACC值，尚未進行頭盔模型跌落測試的數(shù)值模擬過程，在以后的研究中應(yīng)該進一步展開相關(guān)研究。

參考文獻

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