一種蜂窩夾層智能頭盔的設(shè)計

摘 要：隨著時代發(fā)展和交通工具的日益完善，頭盔成為保障交通安全中必不可少的設(shè)備。市面上的頭盔防撞擊能力較低且功能單一，本文在傳統(tǒng)頭盔的基礎(chǔ)上嵌入一部分蜂窩夾層結(jié)構(gòu)來加強(qiáng)頭盔的吸能效果，以減輕外部沖擊對頭部產(chǎn)生的傷害。在功能方面以STM32F103ZET6為主控制器，搭載了SIM868模塊、振動傳感器和陀螺儀角度傳感器等模塊，以實現(xiàn)檢測定位報警功能。經(jīng)試驗證明，這種頭盔可以有效減輕當(dāng)事故發(fā)生時外部對頭部的沖擊力，不僅可以保障事故發(fā)生人員頭部安全，還可以對事故發(fā)生人員進(jìn)行精準(zhǔn)定位、自動報警以及實時通信，為事故人員爭取寶貴的救援時間。

關(guān)鍵詞：智能頭盔；蜂窩結(jié)構(gòu)；有限元分析

中圖分類號：TP 183 " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著交通工具普及，交通事故發(fā)生率顯著增長，因此需要一種性能更高的頭盔來減少交通事故對頭部的傷害。目前市面上的頭盔大多是以EPS材料為緩沖材料，應(yīng)對外部撞擊產(chǎn)生的沖擊力時吸能效果欠缺，對頭部的保護(hù)不足。夾層結(jié)構(gòu)具有輕巧承力、高比強(qiáng)度和高比剛度的特點，其中，以蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)為代表的一類夾層結(jié)構(gòu)還具有出色的能量吸收性能。因此，在普通頭盔的基礎(chǔ)上嵌入一部分蜂窩夾層結(jié)構(gòu)來加強(qiáng)頭盔的吸能效果，減輕外部沖擊對頭部產(chǎn)生的傷害。對蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)在動態(tài)沖擊加載下的研究包括沖擊、爆炸沖擊和彈丸沖擊等多方面。相關(guān)研究表明，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)具有更好的抗彎性能和抗爆炸沖擊性能，這與其良好的塑性彎曲強(qiáng)度、面內(nèi)拉伸能力密切相關(guān)[1]。本文參考前輩們的研究成果，在頭盔的頂部和側(cè)面嵌入蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，再以STM32F103ZET6為主控制器，搭載SIM868模塊、震動傳感器、陀螺儀角度傳感器等模塊，實現(xiàn)頭部保護(hù)、精準(zhǔn)定位、自動報警以及實時通信等一系列功能，保障駕乘人員的安全。

1 頭盔結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 蜂窩夾層緩沖頭盔的原理

從力學(xué)角度看，六邊形是最穩(wěn)定的。仔細(xì)觀察蜂房，蜂房由許許多多大小相同的窩組成，是排列整齊的六邊形。比較圓形、方形結(jié)構(gòu)正面撞擊下的各項吸能指標(biāo)可發(fā)現(xiàn)，在同等條件下，形內(nèi)自相似六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)的總吸能、比吸能和吸能效率均優(yōu)于圓形、方形結(jié)構(gòu)[2]。

蜂窩材料具有良好的吸能特性，一旦受到外部的沖擊載荷，其胞壁結(jié)構(gòu)就會發(fā)生彈性和塑性變形，變形過程可以吸收大量沖擊能量[3]。正六邊形蜂窩是一種正交各向異性材料結(jié)構(gòu)，雖然很多學(xué)者對其面內(nèi)性質(zhì)和異面緩沖吸能特性進(jìn)行了研究，但是大多集中在單胞結(jié)構(gòu)上[4-5]。隨著吸能緩沖結(jié)構(gòu)的輕量化和抗沖擊要求不斷提高，多級蜂窩結(jié)構(gòu)的構(gòu)建和分析尤為重要。由AJDARI等[6]提出的多級自相似蜂窩利用幾何分形法在蜂窩六邊形的節(jié)點上增加了六邊形，構(gòu)造出蜂窩多級結(jié)構(gòu)，性能得到了顯著提升。蜂窩夾層的蜂窩芯就是這種六邊形結(jié)構(gòu)。蜂窩夾層由多個蜂窩芯連接組成，當(dāng)受到較大沖擊力時，蜂窩夾層具有較好的吸能作用。將這種結(jié)構(gòu)運(yùn)用到頭盔中，當(dāng)頭盔承受外部壓力時，蜂窩夾層能夠?qū)⒘鶆蚍稚⒌较噜彽?個面，減少局部應(yīng)力集中，從而增強(qiáng)了整體吸能能力，最終降低對頭部的傷害，起到保護(hù)頭部的作用。本文在普通頭盔的基礎(chǔ)上分別在頭盔頂部、左部、右部以及后部運(yùn)用了蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)（蜂窩芯邊長6 mm，壁厚0.04 mm，高25 mm）[7]，也就是將蜂窩夾層結(jié)構(gòu)嵌入頭盔中，以代替一部分EPS緩沖材料，增強(qiáng)對外部沖擊力的緩沖能力。

1.2 蜂窩結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

蜂窩夾層頭盔緩沖層圖如圖1所示。當(dāng)頭盔頂部受到法向力時，蜂窩夾層能將法向力均勻分布在頭盔表面，降低應(yīng)力集中，以此來降低頭部受到的傷害。因此在整個緩沖過程中，蜂窩夾層的剪切模量對分散頭盔所受外部的力具有重要作用。關(guān)于蜂窩夾芯的力學(xué)參數(shù)推導(dǎo)和結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取，張云飛[7]、趙金森等[8]做了一些工作，結(jié)合其推導(dǎo)可得以下結(jié)果。

當(dāng)切向力對著蜂窩芯表面受力時，整個蜂窩夾層的面內(nèi)彈性模量如公式（1）所示。

（1）

式中：E為面內(nèi)彈性模量；Es為夾芯材料的彈性模量；t為胞壁的厚度；l為胞壁的長度。

面內(nèi)剪切模量如公式（2）所示。

（2）

式中：G1為面內(nèi)剪切模量。

由此可知，當(dāng)變小、變大時，面內(nèi)彈性模量與剪切模量呈增大趨勢。

當(dāng)切向力順著蜂窩芯薄壁受力時，整個蜂窩夾層的橫向剪切模量如公式（3）所示。

（3）

式中：G2為橫向剪切模量；Gs為夾芯材料的剪切模量；γ為剪應(yīng)變。

橫向彈性模量E如公式（4）所示。

（4）

式中：E為橫向彈性模量；Es為夾芯材料的彈性模量。

由此可知，當(dāng)變小、變大時，橫向彈性模量與剪切模量也呈增大趨勢。

綜上所述，當(dāng)t越小、l越大時，整個蜂窩夾層的彈性模量與剪切模量越大，對切應(yīng)力的吸能效果更好。結(jié)合結(jié)構(gòu)參數(shù)[8]，最終選取蜂窩夾層參數(shù)為邊長6 mm，高25 mm，壁厚0.04 mm。

1.3 頭盔蜂窩結(jié)構(gòu)和普通結(jié)構(gòu)下頭部接觸力有限元分析對比

將AA3003H18鋁合金[7]作為蜂窩夾層材料，頭部和頭盔各部分材料參數(shù)見表1[9]。對2種頭盔頂部分別施加一個法向力并進(jìn)行仿真，分析收集的各種交通事故。假設(shè)人與車的質(zhì)量為250 kg，撞擊速度取7.5 m/s，頭盔的接觸面積取0.096 2 m2，對頭盔-頭部的受力情況進(jìn)行有限元仿真分析。

有蜂窩夾層結(jié)構(gòu)和無蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的頭部法向接觸力對比如圖2所示。由圖2可知，有蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的頭部最大法向接觸力為0.000 682 26 MPa，無蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的頭部最大法向接觸力為0.001 653 6 MPa。有蜂窩夾層結(jié)構(gòu)頭部所受法向接觸力比沒有蜂窩夾層結(jié)構(gòu)頭部所受法向接觸力小10倍，在法向上的吸能效果明顯高于普通頭盔，可以充分減少頭部受到的直面撞擊力，保護(hù)頭部安全。

頭盔頭部切向應(yīng)力頭部受力如圖3所示。由圖3可知，有蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的頭部最大法向接觸力為0.001 727 7 MPa，無蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的頭部最大法向接觸力為0.003 120 3 MPa。有蜂窩夾層結(jié)構(gòu)頭部所受剪切接觸力比沒有蜂窩夾層結(jié)構(gòu)頭部所受剪切接觸力小近2倍，在切向上的緩沖效果也要優(yōu)于普通頭盔，可以更好地吸能并降低沖擊力，保護(hù)頭部安全。

綜上所述，無論是在法向上，還是在切向上，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)頭盔均具有比普通EPS緩沖頭盔更好的吸能效果，能在較大程度上減輕交通事故對頭部的沖擊力，并在事故發(fā)生的第一時間更好地保護(hù)頭部。因此，在頭盔的緩沖結(jié)構(gòu)方面，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)比普通頭盔的EPS緩沖層更好，可以充分發(fā)揮頭盔的緩沖作用，對頭部進(jìn)行有效保護(hù)。

2 頭盔附加功能的設(shè)計和介紹

2.1 頭盔附加功能的設(shè)計

頭盔附加功能的研究主要分為觸發(fā)報警、信息傳送、關(guān)聯(lián)手機(jī)以及在OneNET云服務(wù)器上進(jìn)行實時監(jiān)測4個部分。整體原理如下：以STM32F103ZET6為控制器，搭載SIM868模塊、震動傳感器、陀螺儀角度傳感器等模塊，進(jìn)行精準(zhǔn)人員定位、實時語音通信、自動報警、發(fā)送位置信息至北斗平臺實時地圖顯示以及手機(jī)實時觀測，當(dāng)發(fā)生交通安全意外時，本文頭盔不僅可以減少外界對頭部的傷害，還可以進(jìn)行定位報警和北斗平臺實時監(jiān)測。具體設(shè)計構(gòu)想如下：本頭盔報警觸發(fā)模塊分為2個部分，分別為偏轉(zhuǎn)角度檢測部分和震蕩檢測部分，采用陀螺儀傳感器模塊和震蕩傳感器模塊；信息傳送主要采用SIM868模塊，SIM868模塊包括北斗定位模塊與北斗衛(wèi)星通信模塊。

2.2 頭盔附加功能介紹

觸發(fā)報警：報警觸發(fā)模塊分為2個部分，分別是偏轉(zhuǎn)角度檢測部分和震蕩檢測部分。頭盔使用了陀螺儀傳感器模塊和震蕩傳感器模塊，當(dāng)危險發(fā)生時，可以自發(fā)報警。

陀螺儀傳感器模塊：將陀螺儀的臨界報警角度設(shè)置為15°，也就是當(dāng)頭盔偏移角度超過15°時，滿足報警觸發(fā)的第一個條件，系統(tǒng)會觸發(fā)其他模塊，以實現(xiàn)檢測功能。

震動傳感器模塊：振動傳感器是一種目前廣泛應(yīng)用的報警檢測傳感器，它通過內(nèi)部的壓電陶瓷片加彈簧重錘結(jié)構(gòu)感受機(jī)械運(yùn)動振動的參量（例如振動速度、頻率和加速度等），并將其轉(zhuǎn)換成可用輸出信號，再經(jīng)過LM358等運(yùn)放放大并輸出控制信號。頭盔選用SW-18020P振動傳感器，模塊采用比較器輸出，信號干凈、波形好且驅(qū)動能力強(qiáng)，輸出形式是數(shù)字開關(guān)量輸出（0和1），使用寬電壓LM393比價器。當(dāng)陀螺儀傳感器檢測到頭盔角度偏移時，陀螺儀傳感器的檢測就會被觸發(fā)，當(dāng)頭盔與地面發(fā)生猛烈撞擊時，安裝在頭盔內(nèi)部的振動傳感器模塊就會檢測到震動，進(jìn)而打開報警觸發(fā)模塊，以實現(xiàn)報警功能。同理，如果震動模塊未檢測到震動，就不會被打開報警觸發(fā)模塊，可顯著減少報警誤差。

信息傳送：利用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)實時進(jìn)行定位、導(dǎo)航，為用戶提供低成本、高精度的三維位置、速度和精確定時等導(dǎo)航信息，還可以提供車輛定位、防盜、反劫、行駛路線監(jiān)控以及呼叫指揮等服務(wù)。

關(guān)聯(lián)手機(jī)：GSM根據(jù)獲取的北斗信息實時精準(zhǔn)定位，以短信形式發(fā)送位置信息，提醒事故發(fā)生；GPRS向物聯(lián)網(wǎng)云平臺OneNET傳輸位置信息，進(jìn)行實時地圖顯示，快速獲取周邊環(huán)境、交通等信息；手機(jī)客戶端連接OneNET進(jìn)行實時監(jiān)測。

3 結(jié)語

隨著交通工具普及，交通事故發(fā)生率顯著增長，因此需要一種性能更高的頭盔，以降低交通事故對頭部的傷害。針對上述問題，本文提出在普通頭盔的基礎(chǔ)上嵌入一部分蜂窩夾層結(jié)構(gòu)來加強(qiáng)頭盔的吸能效果，減輕外部沖擊對頭部產(chǎn)生的傷害。進(jìn)行頭盔建模和有限元仿真，分析頭部的受力情況，探究嵌入蜂窩夾層的實用性，由此可知，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)能夠?qū)⑺芊ㄏ蛄ο蛩闹苌賱騻鬟f，避免應(yīng)力集中，使頭部受到較大傷害。無論是在法向上，還是在切向上，本頭盔均能展現(xiàn)出比普通EPS緩沖頭盔更出色的吸能效果，從各個方向?qū)︻^部進(jìn)行保護(hù)。增加的一系列附加功能不僅可以在第一時間保障事故發(fā)生人員的頭部安全，還可以進(jìn)行精準(zhǔn)定位、自動報警和實時通信，為事故人員爭取寶貴的救援時間。

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