基于微結(jié)構(gòu)填充與仿生學的頭盔設計.doc

基于微結(jié)構(gòu)填充與仿生學的頭盔設計 【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，xxxx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)合兩種材料的力學特性，全面提升頭盔的強度、吸能特性，減輕頭盔的質(zhì)量?；谖⒔Y(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點，進行相關的力學仿真和數(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進行頭盔外形的仿生學優(yōu)化，進而提升頭盔的流體力學特性。 【關鍵字】頭盔設計；微結(jié)構(gòu)；負泊松比；仿生學 ：TS941.2：A：2095-2457（2018）05-0196-002 0引言 近幾年來，隨著賽車運動的普及以及摩托車的大范圍使用，有關頭盔的研究日益增多。 中國國家通用標準規(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、護目鏡等部分組成3。天津工業(yè)大學韓朝峰等學者以復合材料盔殼用整體增強織物研究為背景，相比傳統(tǒng)織物鋪層結(jié)構(gòu)，整體增強織物因其結(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驗和人體實驗發(fā)現(xiàn)，顱內(nèi)對沖損傷主要是由運動和被運動所產(chǎn)生的加速度差所引起，前者的防護以屏蔽為主，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，因此為了保護穿戴者聽力，頭盔的隔聲性能也是極為重要的。 1研究設計思路 2研究內(nèi)容 2.1頭盔內(nèi)部微結(jié)構(gòu)填充設計 傳統(tǒng)頭盔內(nèi)部采用泡沫、聚乙烯等實心材料作為緩沖結(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： （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計，減輕乘員在駕駛當中頭部的負擔。 （2）采用具有負泊松比特性的微結(jié)構(gòu)材料，極大地優(yōu)化了頭盔填充層的吸能特性，當頭盔在發(fā)生強力撞擊的時候，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：傳導傳熱。當賽車發(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頭盔外形仿生學設計 賽車前進時，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)生負荷，導致疲勞。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數(shù)據(jù)，采用最小二乘法擬合函數(shù)曲線，并導入建模軟件進行建模。利用CFD進行流體力學仿真，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)填充層設計、微結(jié)構(gòu)層真空工藝研究、頭盔外形仿生學研究、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)填充層設計 采用如圖1所示的三維負泊松比微結(jié)構(gòu)作為填充層進行設計。 負泊松比微元胞結(jié)構(gòu)和材料具備輕質(zhì)高性能的特點，是實現(xiàn)輕量化行之有效的方法。負泊松比產(chǎn)生的機理有比較成熟的理論，即于元胞的內(nèi)凹結(jié)構(gòu)。該微結(jié)構(gòu)具有多個設計參數(shù)，且各個參數(shù)對于結(jié)構(gòu)的力學性能有較大影響。為了得到更佳的設計效果，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進行多目標優(yōu)化設計。 （1）泊松比的定義是材料受到單向拉伸或壓縮時，橫向應變與軸向應變的比值，其數(shù)學表達式為：=-三維負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。通過三維負泊松比元胞在三個方向上重復排列組成整個結(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)：胞壁長度：L內(nèi)凹深度：h胞壁比例系數(shù)：水平胞壁長度N=L 2.3.2完成微結(jié)構(gòu)的設計后，將微結(jié)構(gòu)填充層簡化為同等材料參數(shù)、厚度的實體結(jié)構(gòu)進行吸能仿真，以此檢驗該微結(jié)構(gòu)設計在頭盔當中的作用。 2.3.3頭盔外形仿生學設計 白鯨在水中游動時頭部必然受較大阻力，根據(jù)自然選擇的進化觀點可推測其頭部形態(tài)特征對游動前進時的減阻有一定的促進作用。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)生負荷，導致疲勞。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行流體力學仿真，檢驗曲面減阻功能，并根據(jù)仿真數(shù)據(jù)進行優(yōu)化。仿真云圖如圖。 3設計結(jié)論 該研究對現(xiàn)有頭盔在結(jié)構(gòu)、功能