龚 纯_自行车用头盔跌落仿真分析

Altair 2009 HyperWorks 技术大会论文集
自行车用头盔跌落仿真分析
龚纯 吴忠鸣
中国科学院深圳先进技术研究院
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Altair 2009 HyperWorks 技术大会论文集
自行车用头盔跌落仿真分析 Dropping Simulation Analysis of Bicycle Helmet
龚纯 吴忠鸣 (中国科学院深圳先进技术研究院)
摘
求解的结果和物 要: 本文使用 RADIOSS 对一款自行车用头盔进行了跌落仿真分析,
理实验结果非常吻合,说明了有限元手段替代物理试验指导的头盔结构设计优化的可行性.
关键词: 跌落仿真,头盔,有限元,RADIOSS Abstract: In this paper, RADIOSS was used to carry out drop simulation analysis for a
bicycle helmet. Solution results and physical experimental results are very consistent. This shows that the finite element methods replace physical experiments to guide the helmet of structural design optimization is feasible.
Key words: drop simulation, helmet, finite element method, RADIOSS
1 背景介绍:
自行车运动是一项以速度取胜的竞技体育运动项目, 运动安全问题不可忽视. 据美国公 路安全保险研究的报告表明:美国 1999 年骑自行车死亡的人数有 98%未戴头盔,而在撞击 事故中戴头盔的人使他们头部受重伤的危险系数减少了 85%.正因为头盔在减少安全事故上 起到了重要作用,现今头盔已经是自行车运动员的必备装备. 为保证头盔的缓冲质量, 头盔在出货前都要经过一系列的物理试验测试, 最为重要的就 是跌落冲击测试. 跌落冲击测试可以给出头模重心位置的加速度曲线, 用以评估头盔结构的 缓冲性能. 本文采用有限元方法对头盔各个方向的跌落进行了仿真分析, 与物理试验结果吻 合的非常好,用以指导头盔结构优化,产生了良好效益.
2 测试标准
头盔冲击试验的相关标准及参数,具体可参见 BS EN 1078:1997 欧规标准: 《helmets for pedal cyclists and for users of skateboards and roller skates》.头盔的仿真主要涉到以 下几个方面: (1)试验安装方式,头盔与头模的安装定位 (2)针对不同的试验台的冲击速度:plat anvil 为 5420mm/s;kerbstone anvil 为 4570mm/s;
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(3)极限加速度:针对不同的试验平台,头模内的加速度峰值不得超过 250g; (4)冲击点:根据实验确定. 在进行头盔冲击仿真时,应按照头盔的适用人群来选择合适大小的假头模型(简称头 模),欧规中用于头盔冲击试验的标准头模有 A,E,J,M 和 O 五种尺寸类型.根据头盔大小 选择相应的头模,然后按照正常佩戴头盔的方式来对头盔和头模进行装配定位.
3 仿真模型的建立
头盔的主要结构包含三个部分:外壳,EPS 内衬,帽带等附件.外壳一般的材料是 ABS,PC 或玻璃钢,内裹聚苯乙烯(EPS)泡沫体;帽带可以起到很好的固定作用避免 跌落时头盔的脱离,它的主体材料可以是尼龙.表 1 给出了仿真分析各部件的材料. 表 1 材料名称 密度 (t/mm3) 头盔外壳 EPS 内衬 头盔带 头模 钢砧 加速度计 材料参数表 弹性模量 (MPa) 泊松比 屈服应力 (MPa)
ABS EPS 尼龙 铝 钢 钢
1.035e-9 7.5e-11 2.578e-9 1.12e-9 7.8e-9 按重量给
2600 36 3100 45000 270000 270000
0.35
38
0.35 0.35 0.2 0.3
头盔硬质外壳是通过对头盔衬垫模型的表面进行曲面复制得到的, 因此它和头盔衬垫表 面的几何完全一样, 这样就可以保证两者能粘合在一起. 在装配时保证头盔和头模之间的空 隙尽可能小,即头模的外表面和头盔的内表面尽量接触. 为了测量跌落过程中的加速度曲线, 还需加入加速度计模型. 加速度计采用边长为 5mm 的正方体模型,置于头模重心位置.
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图1
某型号头盔硬质外壳
图2
某型号头盔 EPS 衬垫
图3
某型号头盔组装模型
图 4 某型号头盔有限元模型
头盔硬质外壳的仿真模型为壳模型, 采用四边形网格进行划分; 头盔衬垫为可变形实体, 采用四面体网格划分;头模为刚体,也用四面体网格划分;加速度计为刚体,采用六面体网 格划分;头盔带为壳模型,采用壳单元.实际上,头模和加速度计都不是刚体,在做冲击试 验的时候,两者都会发生一定的变形,但是一方面它们的变形不是我们关注的对象,且相对 于头盔来说,它们都非常硬,与头盔的变形相比,它们的变形可以忽略不计,因此可以把它 们当作刚体处理.
4 仿真结果
4.1 物理试验结果
根据欧规中的实验条件,对该型号头盔进行了物理跌落冲击试验.其加速度曲线如图.
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图5
某型号型头盔冲击测试曲线(前冲击和侧冲击)
图6
某型号型头盔冲击测试曲线(尾冲击和顶冲击)
上面两个图中的曲线代表头盔以各种姿态冲击到平面钢砧上时, 安装在头模里面的加速 度计测得的冲击加速度曲线.根据测试结果得到如下数据: 表2 冲击方式 Front(前) L.H.S(侧) Rear(尾) Crown(顶)
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某型号头盔跌落冲击加速度值 最大加速度(G) 153.4 190.6 107.5 141.0 跌落高度(cm) 154.6 153.2 154.6 154.2
注:侧冲击做了两次试验,两次试验的最大加速度相差不大,此处取较大值.
4.2 仿真结果
各种冲击方式下的冲击加速度随时间的变化曲线如下图所示:
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