基于微结构填充与仿生学的头盔设计

2022-03-06 08:09:49 | 浏览次数：

【摘要】摩托车和赛车驾乘人员其最主要的伤害部位是头部[1]。据统计， 2010～2015 年我国每年因摩托车交通事故死亡 2.31 万～2.67万人，占全年交通事故死亡总数的 25%～28%[2]。采用以负泊松比微结构为缓冲层、碳纤维为外壳的的新型头盔。结合两种材料的力学特性，全面提升头盔的强度、吸能特性，减轻头盔的质量。基于微结构的结构特点，进行相关的力学仿真和数据分析，并在微结构层形成真空环境，以此大幅提升头盔的隔温、隔声的性能。同时利用白鲸头部形状特点进行头盔外形的仿生学优化，进而提升头盔的流体力学特性。

【关键字】头盔设计；微结构；负泊松比；仿生学

中图分类号： TS941.2 文献标识码： A 文章编号：2095-2457（2018）05-0196-002

【Abstract】The main injury area for motorcycle and racing drivers is the head[1]. According to statistics， between 2010 and 2015， China’s annual deaths from motorcycle accidents amounted to 2.31 million to 26，700， accounting for 25% to 28% of the total number of traffic accident deaths in the year[2]. A new type of helmet with a negative Poisson’s ratio microstructure as the buffer layer and a carbon fiber shell is used. Combining the mechanical properties of the two materials， comprehensively enhance the helmet’s strength， energy absorption characteristics， and reduce the helmet’s quality. Based on the structural characteristics of the microstructure， relevant mechanical simulations and data analysis are performed， and a vacuum environment is formed in the micro-structure layer， thereby greatly improving the helmet’s insulation and sound insulation performance. At the same time， the shape of the head of the beluga is used to optimize the bionics of the helmet’s shape， thereby improving the hydrodynamic characteristics of the helmet.

【Key words】Helmet design； Microstructure； Negative Poisson’s ratio； Bionics

0 引言

近几年来，随着赛车运动的普及以及摩托车的大范围使用，有关头盔的研究日益增多。

中国国家通用标准规定摩托车用头盔由壳体、缓冲层、舒适衬垫、佩戴装置、缓冲层、护目镜等部分组成[3]。天津工业大学韩朝峰等学者以复合材料盔壳用整体增强织物研究为背景，相比传统织物铺层结构，整体增强织物因其结构的连续性在性能上表现出一定优越性[4]。

通过颅脑撞击的动物实验和人体实验发现，颅内对冲损伤主要是由运动和被运动所产生的加速度差所引起，前者的防护以屏蔽为主，而后者的缓冲为主[5]，由此可见，选择一种优良的缓冲材料作为缓冲层是非常重要的。

F1赛事则对头盔有着更高的要求。国际汽联规定其头盔质量需在1800g以下，以使车手不至于过度疲劳[6]。头盔的外壳必须能够保证在800℃高温的火焰中炙烤45秒而不使内部发生变化[7]。由于赛车引擎声堪比发动机，因此为了保护穿戴者听力，头盔的隔声性能也是极为重要的。

1 研究设计思路

2 研究内容

2.1 头盔内部微结构填充设计

传统头盔内部采用泡沫、聚乙烯等实心材料作为缓冲结构吸能结构，相比之下，微结构填充方案具备以下优点：

（1）微结构材料特有的空隙结构，其相对密度可以通过改变微结构元胞而进行优化，因此该结构非常有利于新型头盔的轻量化设计，减轻乘员在驾驶当中头部的负担。

（2）采用具有负泊松比特性的微结构材料，极大地优化了头盔填充层的吸能特性，当头盔在发生强力撞击的时候，能够缓冲掉大部分的碰撞能量，提高头盔的安全性与可靠性，保护乘员生命安全。

2.2 微结构层抽真空方案

基于微结构特有的空隙结构，在头盔的微结构层形成真空环境。声音的传播必须借助于固体、液体或者气体。在微结构层抽取掉大部分的气体介质，减少声音的传播路径，隔声降噪。

同理，热能的传播也有传导传热、对流传热和辐射传热，在微结构层抽真空，则减弱了最主要的传热方式：传导传热。当赛车发生爆炸、燃烧时，该结构有助于降低头盔内部的温升，避免乘员头部灼伤。

2.3 头盔外形仿生学设计

赛車前进时，空气对头盔同样也会产生较大的阻力，从而对驾驶员产生负荷，导致疲劳。为了尽量减少空气阻力对驾驶员的影响，通过采集白鲸头部外形二维坐标数据，采用最小二乘法拟合函数曲线，并导入建模软件进行建模。利用CFD进行流体力学仿真，优化出具有更佳减阻功能的头盔曲面。

该微结构填充新型头盔的研究内容主要由：微结构填充层设计、微结构层真空工艺研究、头盔外形仿生学研究、碳纤维外层参数优化等几部分组成。

2.3.1 微结构填充层设计

采用如图1所示的三维负泊松比微结构作为填充层进行设计。

负泊松比微元胞结构和材料具备轻质高性能的特点，是实现轻量化行之有效的方法。负泊松比产生的机理有比较成熟的理论，即来自于元胞的内凹结构。该微结构具有多个设计参数，且各个参数对于结构的力学性能有较大影响。为了得到更佳的设计效果，以吸收能量最大化、结构质量最小化两个性能为目标进行多目标优化设计。

（1）泊松比的定义是材料受到单向拉伸或压缩时，横向应变与轴向应变的比值，其数学表达式为：γ=-三维负泊松比元胞是由两个二维元胞十字形交叉组成的，二维元胞是由双V形单元件组成。通过三维负泊松比元胞在三个方向上重复排列组成整个结构。三维元胞是一种双内凹的三角形，呈各向异性，在对称轴方向的载荷产生负的泊松比。

（2）微元胞结构的相对密度被定义为在组成微元胞结构的最小单元中，微元胞结构的等效密度与制造元胞所用材料密度的比值。因此，相对密度可以定义为：

几何参数：长度系数：α胞壁长度：L内凹深度：h胞壁比例系数：β水平胞壁长度N=βL

2.3.2 完成微结构的设计后，将微结构填充层简化为同等材料参数、厚度的实体结构进行吸能仿真，以此检验该微结构设计在头盔当中的作用。

2.3.3 头盔外形仿生学设计

白鲸在水中游动时头部必然受较大阻力，根据自然选择的进化观点可推测其头部形态特征对游动前进时的减阻有一定的促进作用。下图5为白鲸头部外形（主视与侧视）

由此联想到摩托车及赛车使用的头盔与该外形十分相似，并且在赛车前进时，空气对头盔同样也会产生较大的阻力，从而对驾驶员产生负荷，导致疲劳。为了尽量减少空气阻力对驾驶员的影响，利用仿生学原理，模仿白鲸头部外形，在MATLAB软件中用二元线性最小二乘法拟合出与白鲸头部外形相似度最高的曲面。

其次，在ANSYS软件中建立空气流体仿真环境初步对头盔外形进行流体力学仿真，检验曲面减阻功能，并根据仿真数据进行优化。仿真云图如图。

3 设计结论

该研究对现有头盔在结构、功能等方面进行了多角度的创新设计，在强度、吸能性、減重、隔热、隔声、流体力学性能等方面提出了新颖且可行的优化方案，提升了头盔的整体性能，有利于推动国内赛车头盔行业的发展，也为相关行业提出了新的研究方法。

【参考文献】

[1]俞敏，赵鸣，胡如英，龚巍巍.交通伤患者中摩托车驾乘人员安全头盔使用与受伤的关系[J].中华预防医学杂志，2011，45（3）：854.

[2]张冬先，等.“摩托车交通事故所致死亡的法医学损伤特征分析”昆明医科大学学报，33.11（2012）：86-89.