頭部—聚苯乙烯泡沫—鋁蜂窩緩沖系統沖擊響應與優化設計

盧富德　陶偉明　周建偉　高德　王炳濤

摘要：典型的頭盔是由一層聚苯乙烯（EPS）泡沫作為內襯，為了改變頭盔結構及改善吸收能量的能力，內襯局部出現了由EPS和鋁蜂窩兩層材料作為內部襯墊的新穎頭盔以吸收能量。為研究此頭盔的緩沖性能，基于EPS宏觀三維可壓縮本構關系與蜂窩薄壁殼結構，建立了頭部一泡沫一鋁蜂窩系統三維有限元模型。然后以EPS的密度、厚度，與蜂窩結構的胞元邊長和厚度為設計變量，以比吸收能量最大為優化目標，得到對應的目標優化函數。最后運用響應面方法對此三維有限元結構進行優化設計，結果表明泡沫一蜂窩復合緩沖結構具有較好的吸收能量的能力，并有良好的適應性，為層狀緩沖系統的沖擊響應與產品開發提供了參考。

關鍵詞：聚苯乙烯泡沫；鋁蜂窩；頭盔；本構關系；優化設計

引言

因其比吸能大，多胞泡沫應用于運輸包裝、頭盔、汽車等行業的吸收能量領域中。為防止人腦發生一定的損傷，一般用EPS作為頭盔內襯。泡沫作為內襯以吸收人在事故中產生的能量。Cui利用數值方法介紹了密度梯度泡沫在頭盔內襯的應用，發現其有較好的適應性。在沖擊載荷較小時，密度較小的部位起到緩沖作用，而密度較大的部位只有在載荷較大時才引起變形，以發揮其緩沖的功能。

Gaetano開發了由EPS和鋁蜂窩兩層作為內襯，其后Caserta研究了EPS-鋁蜂窩緩沖系統在單軸載荷下的力學行為。蜂窩在異面方向加載，其變形模式為薄壁結構的漸進屈曲，其應力-應變曲線上有一個很長的平臺，最終導致蜂窩結構的比吸能與吸能效率大于泡沫，它的引入改善了內襯的吸收能量的能力。

為了更好地研究EPS-鋁蜂窩結構的吸收能量的能力，本文利用有限元方法，對其結構沖擊響應及優化設計進行分析，也能對此結構的緩沖性能進行有效的評估。