基于ECE R22.05標(biāo)準(zhǔn)的頭盔緩沖層防碰撞性能實(shí)驗(yàn)研究*

溫為才 李遠(yuǎn)新 付東明

(1.五邑大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江門 529000；2.江門出入境檢驗(yàn)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(guó)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(píng)估的兩個(gè)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(lái)衡量頭部在外來(lái)載荷下安全性的一種損傷判斷準(zhǔn)則。文獻(xiàn)[3]就頭部有限元模型的發(fā)展過(guò)程及最新進(jìn)展進(jìn)行了較為全面的綜述。文獻(xiàn)[4]采用有限元方法對(duì)人類頭部有限元模型進(jìn)行三張不同的加載，模擬腦組織在限制了HIC值為1000時(shí)的應(yīng)力，認(rèn)為用HIC值來(lái)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(duì)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(shí)驗(yàn)等方面[5]。針對(duì)頭盔本身防碰撞性能的研究較為少見(jiàn)，而頭盔的緩沖層對(duì)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(jì)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(jì)的頭盔樣品?；跉W洲頭盔標(biāo)準(zhǔn)ECE R22.05進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)不同密度和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的頭盔緩沖層在碰撞過(guò)程中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行測(cè)試分析，從而研究緩沖層有效降低頭盔碰撞過(guò)程的HIC及Peak ACC值的密度與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(duì)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(guò)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(shí)間；t為沖擊過(guò)程的時(shí)間變量。

從式(1)可以看出GSI值是整個(gè)撞擊過(guò)程中頭部承受加速度的加權(quán)的積分，其缺點(diǎn)并沒(méi)有直接反映到峰值加速度對(duì)頭部傷害的影響。研究表明，當(dāng)GSI值大于1000時(shí)，則認(rèn)為此沖擊會(huì)對(duì)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(duì)GSI指標(biāo)進(jìn)行修改，得出HIC準(zhǔn)則，該準(zhǔn)則在1972年被采納為美國(guó)聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車輛安全標(biāo)準(zhǔn)(FMVSS 208)。

(2)

式中:t1是撞擊過(guò)程中的任意時(shí)刻；t2是以t1為起始時(shí)刻而使等式右邊求得最大值的那個(gè)時(shí)刻。

HIC準(zhǔn)則被各國(guó)的汽車安全法規(guī)所采納，同時(shí)也是現(xiàn)行的頭部損傷防護(hù)裝置(如安全頭盔)設(shè)計(jì)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(jìn)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

3.1 基于ECE R22.05標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)

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(jìn)行碰撞實(shí)驗(yàn)可以有效進(jìn)行頭盔的防碰撞性能測(cè)試，碰撞過(guò)程示意圖如圖3所示。本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)將高度提高至3.05m，以保證一定的余量。此外，平砧法測(cè)試時(shí)還對(duì)頭盔進(jìn)行高溫處理以模擬高溫天氣下的真實(shí)碰撞環(huán)境，實(shí)驗(yàn)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(jì)平砧法頭盔碰撞測(cè)試及其評(píng)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(jìn)行碰撞測(cè)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(cè)試點(diǎn)位置

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

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

3.2 實(shí)驗(yàn)研究

3.2.1 EPS緩沖層密度對(duì)Peak ACC與HIC值的影響

按照上述實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)四種不同密度ρ的EPS緩沖層的頭盔樣品進(jìn)行碰撞測(cè)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(diǎn)的Peak ACC最大值(峰值加速度)發(fā)生在P點(diǎn)的碰撞，且對(duì)應(yīng)的EPS密度為0.08g/cm3。在B點(diǎn)處進(jìn)行平砧法碰撞時(shí)，四個(gè)密度設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的頭部峰值加速度都小于200g，而P點(diǎn)則全部大于200g。當(dāng)EPS密度ρ取0.06g/cm3時(shí)，頭部模型在P點(diǎn)附近碰撞中可以獲得四種密度對(duì)應(yīng)峰值加速度的最小值，在B、R點(diǎn)的碰撞過(guò)程中也未超過(guò)170g。

通過(guò)頭盔碰撞實(shí)驗(yàn)還可得到頭部模型的峰值加速度(Peak ACC)及HIC值，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

圖4 不同EPS密度對(duì)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(diǎn)不同密度ρ對(duì)應(yīng)的測(cè)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(jìn)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(guò)擬合成曲線可直觀地分析頭部碰撞時(shí)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(shí)頭盔碰撞的Peak ACC和HIC可獲得最佳值(最小值)，表明此時(shí)緩沖層可以對(duì)頭部提供最好的緩沖效果。當(dāng)密度ρ大于0.076 g/cm3時(shí)EPS材料作為緩沖層無(wú)法通過(guò)頭盔跌落沖擊測(cè)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，通過(guò)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(diǎn)分別碰撞鋼板得到測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 頭部模型碰撞測(cè)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(shí)，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(diǎn)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(shí)，P點(diǎn)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(duì)回彈率ξ達(dá)到48%，其中P點(diǎn)的相對(duì)回彈率高，這是因?yàn)槊芏鹊陀?.04g/cm3的EPS材料在壓縮過(guò)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(píng)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(jì)的頭盔模型，試制了不同密度設(shè)計(jì)的頭盔樣品。基于歐洲摩托車頭盔標(biāo)準(zhǔn)ECE R22.05對(duì)HIC和Peak ACC值的相關(guān)測(cè)試規(guī)定，采用平砧法對(duì)頭盔樣品碰撞過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行測(cè)試分析，根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(guò)0.076g/cm3的EPS材料則不能通過(guò)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(guò)程中可以產(chǎn)生兩個(gè)較低的Peak ACC值，從而避免了單層緩沖帶來(lái)的較大Peak ACC值，即通過(guò)二級(jí)緩沖可以對(duì)頭部提供更有效的保護(hù)，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(diǎn)撞擊測(cè)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(duì)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(duì)頭盔緩沖層材料、結(jié)構(gòu)與密度設(shè)計(jì)對(duì)頭盔防碰撞性能的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取頭部模型的HIC和Peak ACC值，尚未進(jìn)行頭盔模型跌落測(cè)試的數(shù)值模擬過(guò)程，在以后的研究中應(yīng)該進(jìn)一步展開(kāi)相關(guān)研究。

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