基于微結(jié)構(gòu)填充與仿生學(xué)的頭盔設(shè)計

余行 楊亮 張鵬

【摘 要】摩托車和賽車駕乘人員其最主要的傷害部位是頭部[1]。據(jù)統(tǒng)計， 2010～2015 年我國每年因摩托車交通事故死亡 2.31 萬～2.67萬人， 占全年交通事故死亡總數(shù)的 25%～28%[2]。采用以負(fù)泊松比微結(jié)構(gòu)為緩沖層、碳纖維為外殼的的新型頭盔。結(jié)合兩種材料的力學(xué)特性，全面提升頭盔的強(qiáng)度、吸能特性，減輕頭盔的質(zhì)量。基于微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行相關(guān)的力學(xué)仿真和數(shù)據(jù)分析，并在微結(jié)構(gòu)層形成真空環(huán)境，以此大幅提升頭盔的隔溫、隔聲的性能。同時利用白鯨頭部形狀特點(diǎn)進(jìn)行頭盔外形的仿生學(xué)優(yōu)化，進(jìn)而提升頭盔的流體力學(xué)特性。

【關(guān)鍵字】頭盔設(shè)計；微結(jié)構(gòu)；負(fù)泊松比；仿生學(xué)

中圖分類號： TS941.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號：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， Chinas 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 Poissons ratio microstructure as the buffer layer and a carbon fiber shell is used. Combining the mechanical properties of the two materials， comprehensively enhance the helmets strength， energy absorption characteristics， and reduce the helmets 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 helmets 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 helmets shape， thereby improving the hydrodynamic characteristics of the helmet.

【Key words】Helmet design； Microstructure； Negative Poissons ratio； Bionics

0 引言

近幾年來，隨著賽車運(yùn)動的普及以及摩托車的大范圍使用，有關(guān)頭盔的研究日益增多。

中國國家通用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定摩托車用頭盔由殼體、緩沖層、舒適襯墊、佩戴裝置、緩沖層、護(hù)目鏡等部分組成[3]。天津工業(yè)大學(xué)韓朝峰等學(xué)者以復(fù)合材料盔殼用整體增強(qiáng)織物研究為背景，相比傳統(tǒng)織物鋪層結(jié)構(gòu)，整體增強(qiáng)織物因其結(jié)構(gòu)的連續(xù)性在性能上表現(xiàn)出一定優(yōu)越性[4]。

通過顱腦撞擊的動物實(shí)驗(yàn)和人體實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，顱內(nèi)對沖損傷主要是由運(yùn)動和被運(yùn)動所產(chǎn)生的加速度差所引起，前者的防護(hù)以屏蔽為主，而后者的緩沖為主[5]，由此可見，選擇一種優(yōu)良的緩沖材料作為緩沖層是非常重要的。

F1賽事則對頭盔有著更高的要求。國際汽聯(lián)規(guī)定其頭盔質(zhì)量需在1800g以下，以使車手不至于過度疲勞[6]。頭盔的外殼必須能夠保證在800℃高溫的火焰中炙烤45秒而不使內(nèi)部發(fā)生變化[7]。由于賽車引擎聲堪比發(fā)動機(jī)，因此為了保護(hù)穿戴者聽力，頭盔的隔聲性能也是極為重要的。

1 研究設(shè)計思路

2 研究內(nèi)容

2.1 頭盔內(nèi)部微結(jié)構(gòu)填充設(shè)計

傳統(tǒng)頭盔內(nèi)部采用泡沫、聚乙烯等實(shí)心材料作為緩沖結(jié)構(gòu)吸能結(jié)構(gòu)，相比之下，微結(jié)構(gòu)填充方案具備以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）微結(jié)構(gòu)材料特有的空隙結(jié)構(gòu)，其相對密度可以通過改變微結(jié)構(gòu)元胞而進(jìn)行優(yōu)化，因此該結(jié)構(gòu)非常有利于新型頭盔的輕量化設(shè)計，減輕乘員在駕駛當(dāng)中頭部的負(fù)擔(dān)。

（2）采用具有負(fù)泊松比特性的微結(jié)構(gòu)材料，極大地優(yōu)化了頭盔填充層的吸能特性，當(dāng)頭盔在發(fā)生強(qiáng)力撞擊的時候，能夠緩沖掉大部分的碰撞能量，提高頭盔的安全性與可靠性，保護(hù)乘員生命安全。

2.2 微結(jié)構(gòu)層抽真空方案

基于微結(jié)構(gòu)特有的空隙結(jié)構(gòu)，在頭盔的微結(jié)構(gòu)層形成真空環(huán)境。聲音的傳播必須借助于固體、液體或者氣體。在微結(jié)構(gòu)層抽取掉大部分的氣體介質(zhì)，減少聲音的傳播路徑，隔聲降噪。

同理，熱能的傳播也有傳導(dǎo)傳熱、對流傳熱和輻射傳熱，在微結(jié)構(gòu)層抽真空，則減弱了最主要的傳熱方式：傳導(dǎo)傳熱。當(dāng)賽車發(fā)生爆炸、燃燒時，該結(jié)構(gòu)有助于降低頭盔內(nèi)部的溫升，避免乘員頭部灼傷。

2.3 頭盔外形仿生學(xué)設(shè)計

賽車前進(jìn)時，空氣對頭盔同樣也會產(chǎn)生較大的阻力，從而對駕駛員產(chǎn)生負(fù)荷，導(dǎo)致疲勞。為了盡量減少空氣阻力對駕駛員的影響，通過采集白鯨頭部外形二維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，采用最小二乘法擬合函數(shù)曲線，并導(dǎo)入建模軟件進(jìn)行建模。利用CFD進(jìn)行流體力學(xué)仿真，優(yōu)化出具有更佳減阻功能的頭盔曲面。

該微結(jié)構(gòu)填充新型頭盔的研究內(nèi)容主要由：微結(jié)構(gòu)填充層設(shè)計、微結(jié)構(gòu)層真空工藝研究、頭盔外形仿生學(xué)研究、碳纖維外層參數(shù)優(yōu)化等幾部分組成。

2.3.1 微結(jié)構(gòu)填充層設(shè)計

采用如圖1所示的三維負(fù)泊松比微結(jié)構(gòu)作為填充層進(jìn)行設(shè)計。

負(fù)泊松比微元胞結(jié)構(gòu)和材料具備輕質(zhì)高性能的特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)輕量化行之有效的方法。負(fù)泊松比產(chǎn)生的機(jī)理有比較成熟的理論，即來自于元胞的內(nèi)凹結(jié)構(gòu)。該微結(jié)構(gòu)具有多個設(shè)計參數(shù)，且各個參數(shù)對于結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能有較大影響。為了得到更佳的設(shè)計效果，以吸收能量最大化、結(jié)構(gòu)質(zhì)量最小化兩個性能為目標(biāo)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計。

（1）泊松比的定義是材料受到單向拉伸或壓縮時，橫向應(yīng)變與軸向應(yīng)變的比值，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：γ=-三維負(fù)泊松比元胞是由兩個二維元胞十字形交叉組成的，二維元胞是由雙V形單元件組成。通過三維負(fù)泊松比元胞在三個方向上重復(fù)排列組成整個結(jié)構(gòu)。三維元胞是一種雙內(nèi)凹的三角形，呈各向異性，在對稱軸方向的載荷產(chǎn)生負(fù)的泊松比。

（2）微元胞結(jié)構(gòu)的相對密度被定義為在組成微元胞結(jié)構(gòu)的最小單元中，微元胞結(jié)構(gòu)的等效密度與制造元胞所用材料密度的比值。因此，相對密度可以定義為：

幾何參數(shù)：長度系數(shù)：α胞壁長度：L內(nèi)凹深度：h胞壁比例系數(shù)：β水平胞壁長度N=βL

2.3.2 完成微結(jié)構(gòu)的設(shè)計后，將微結(jié)構(gòu)填充層簡化為同等材料參數(shù)、厚度的實(shí)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行吸能仿真，以此檢驗(yàn)該微結(jié)構(gòu)設(shè)計在頭盔當(dāng)中的作用。

2.3.3 頭盔外形仿生學(xué)設(shè)計

白鯨在水中游動時頭部必然受較大阻力，根據(jù)自然選擇的進(jìn)化觀點(diǎn)可推測其頭部形態(tài)特征對游動前進(jìn)時的減阻有一定的促進(jìn)作用。下圖5為白鯨頭部外形（主視與側(cè)視）

由此聯(lián)想到摩托車及賽車使用的頭盔與該外形十分相似，并且在賽車前進(jìn)時，空氣對頭盔同樣也會產(chǎn)生較大的阻力，從而對駕駛員產(chǎn)生負(fù)荷，導(dǎo)致疲勞。為了盡量減少空氣阻力對駕駛員的影響，利用仿生學(xué)原理，模仿白鯨頭部外形，在MATLAB軟件中用二元線性最小二乘法擬合出與白鯨頭部外形相似度最高的曲面。

其次，在ANSYS軟件中建立空氣流體仿真環(huán)境初步對頭盔外形進(jìn)行流體力學(xué)仿真，檢驗(yàn)曲面減阻功能，并根據(jù)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化。仿真云圖如圖。

3 設(shè)計結(jié)論

該研究對現(xiàn)有頭盔在結(jié)構(gòu)、功能等方面進(jìn)行了多角度的創(chuàng)新設(shè)計，在強(qiáng)度、吸能性、減重、隔熱、隔聲、流體力學(xué)性能等方面提出了新穎且可行的優(yōu)化方案，提升了頭盔的整體性能，有利于推動國內(nèi)賽車頭盔行業(yè)的發(fā)展，也為相關(guān)行業(yè)提出了新的研究方法。

【參考文獻(xiàn)】

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