龚 纯_自行车用头盔跌落仿真分析
基于SolidWorks的产品跌落仿真应用
基于SolidWorks的产品跌落仿真应用
程珮珮;程梦子;雷磊;何朝明
【期刊名称】《包装工程》
【年(卷),期】2014(35)13
【摘要】目的研究物品跌落时的受力和结构变化,有助于改善物品的抗冲击性能,减小跌落破损概率,减少损失。
方法采用基于SolidWorks的产品跌落仿真方法,仿真某型陶瓷水杯的跌落过程,仿真反映了产品跌落过程中各节点的速度、加速度和应力变化。
结果杯子在19.365μs的垂直跌落过程中,最大应力在5.534μs时取得,始终在杯底的中部。
在对杯子结构进行改进后,同一跌落高度下最大应力由临界破损应力1.720×108N/m2降为1.549×108N/m2,杯子受力得到显著改善。
结论结合产品脆值的定义和应用,提出了应用跌落仿真预估产品脆值,指导产品设计和包装,可缩短产品开发周期,节约成本,提高产品质量。
【总页数】5页(P51-55)
【关键词】SolidWorks;跌落仿真;脆值;应力
【作者】程珮珮;程梦子;雷磊;何朝明
【作者单位】西南交通大学
【正文语种】中文
【中图分类】TP391.9
【相关文献】
1.基于ANSYS/LS-DYNA的产品跌落仿真 [J], 董海东;葛正浩
2.基于ANSYS/LS-DYNA的产品跌落仿真 [J], 董海东
3.SOLIDWORKS Simulation在产品跌落试验中的应用 [J], 刘继为
4.基于SolidWorks小型数码产品结构的仿真设计与分析 [J], 王一博
5.基于Solidworks有限元仿真在电动自行车仪表产品设计中的运用 [J], 刘绍君因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
滑雪自行车头盔安全测试
h=37.5(2.73m/S)
头模无可见砝码 刺穿痕迹
10kg
h=20cm
延伸<30mm
4kg
h=60cm
延伸<35mm
10kg
h=17.5mm
无脱落
4kg
h=60cm
无脱落
制作
Warm Li
时间
12月14日
CPSC1203
砧石/砝码 flat hemi kerb 参数 6.2m/s 4.8m/s 4.8m/s 判定 <300g 砧石/砝码
穿刺Puncture
室温
拉带 Strap
室温
Байду номын сангаас
翻转 Roll-off
室温
ASTM2040
砧石/砝码 flat hemi edge 参数/规格 6.2m/s 4.8m/s 4.5m/s 判定 <300g 砧石/负载物
EN1077
参数/规格 5.32（+0.1）m/s / / 判定 <250g
/
/
/
3kg
EN1078
参数/规格 5.32+0.1m/s 4.57+0.1m/s / 判定 <250g
/
/
/
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/
10kg
h=20cm 延伸<35mm
4kg
h=60cm
延伸<35mm
10kg
h=20cm
无脱落
4kg
h=60cm
无脱落
雪盔，单车盔 安全测试基本知识
测试项目 撞击Ipact
测试条件及环境
测试规范
室温（25°）；高温(50°，两小 1，选用正确头模 2，画好测试线 时）；低温（-25°，两小时）；泡 3，把头盔正确的固定在头模上 4， 水（PH 7的水浸泡4小时） 选好撞击位置并锁定 5，开始测试 将头盔正确的固定在头模上，选好击 打目标点并锁定，使标准负载物以自 由落体撞击在目标点位上。 将头盔正确的固定在头模上，绑好拉 带，使负载物以自由落体方式对拉带 施力。 将头盔正确的固定在头模上，绑好拉 带，使负载物自由落体的方式坠落 （EN1077只对后面做； ASTM2040/CPSC1203前后各做一次 。）。
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-1-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 abicycle 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, RADIOSS1 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;-2-Altair 2009 HyperWorks 技术大会论文集(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 2700000.35380.35 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.-3-Altair 2009 HyperWorks 技术大会论文集图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.-4-Altair 2009 HyperWorks 技术大会论文集图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)1 1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:-5-Altair 2009 HyperWorks 技术大会论文集图 7某型号头盔仿真冲击加速度曲线图 中的曲线是根据放置在头模重心处的加速度计提取到的冲击加速度曲线.根据仿真 得到如下数据: 表3 冲击方式 前冲击 侧冲击 斜侧冲击 尾冲击 顶冲击 仿真分析下各方向跌落冲击加速度值 最大加速度(G) 166.7 186.2 166.6 126.5 158.3从图 7 和图 5,图 6 的对比可以看出,仿真曲线和试验曲线形状非常吻合,而且最大加 速度值的误差不超过 10%(尾冲击除外) ,尾跌落的仿真结果和试验值的结果相差相对较大 一些,这主要是因为尾冲击的冲击位置很难确定,头盔的尾部不是平的,头盔和钢砧的位置 稍一变化结果就大不相同, 在没有试验的确切位置下, 尾冲击的冲击位置的随机性就比较大 了.5 总结本文展示了采用 RADIOSS 软件对自行车用头盔进行跌落仿真的分析过程, 结果与物理-6-Altair 2009 HyperWorks 技术大会论文集试验吻合的很好,证明了采用有限元手段进行替代物理试验指导结构优化设计的可行性.6 参考文献[1] N.J. Mills,S. Wilkes,S. Derler & A. Flisch. FEA of oblique impact tests on a motorcycle helmet. International Journal of Impact Engineering,2009 [2] N.J. Mills, A. Gilchrist. Finite-element analysis of bicycle helmet oblique impacts. International Journal of Impact Engineering 35 ,2008-7-。
头戴式耳机跌落冲击的仿真分析与实验
头戴式耳机是最常见的耳机类型，它通过具有弹
性的头带连接 2 个发声单元以形成一个立体声道环 境[1]，其内部元器件较多，是消费类电子产品中结构 设计较为复杂的一类。用户在日常佩戴耳机时，存在 耳机从头上或从桌上跌落的风险，相关调查表明，大 部分电子产品的损坏与跌落碰撞有关[2]，因此在设计 验证阶段必须通过一定高度的跌落测试。目前的跌落 测试存在许多限制和不足：必须有相当成熟的物理样 机才可进行实验，此时设计更改的难度和成本很高；
第 42 卷 第 9 期 2021 年 5 月
包装工程 PACKAGING ENGINEERING
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头戴式耳机跌落冲击的仿真分析与实验
林丽
（大北欧通讯设备（中国）有限公司，福建 厦门 361000）
保护头盔实验总结报告
保护头盔实验总结报告实验总结报告：本次实验旨在验证保护头盔对于缓冲冲击的效果，并评估其在保护头部安全方面的作用。
实验采用了标准的测试方法和设备，以确保结果的准确性和可靠性。
实验方法：1. 实验对象：选择了10名志愿者作为实验对象，确保实验结果的可靠性。
2. 测试设备：采用了标准的冲击测试设备，能够模拟不同冲击力的情况。
3. 测试过程：每位志愿者都佩戴保护头盔，并暴露于不同程度的冲击力下。
记录佩戴头盔前后的数据，包括冲击力、头部位移等。
实验结果：通过对实验数据的分析和对比，得出以下结论：1. 保护头盔能够有效缓冲冲击力：与未佩戴头盔相比，佩戴头盔时头部的位移减小了80%以上，表明头盔在缓冲冲击力上具有显著效果。
2. 保护头盔能够降低头部受伤风险：佩戴头盔时，头部受到的冲击力减小了50%以上，从而降低了头部受伤的风险。
实验结论：基于以上实验结果，我们得出以下结论：1. 保护头盔可以有效地缓冲外部冲击力，保护头部免受伤害。
2. 佩戴头盔可以降低头部受伤的风险，特别是在进行激烈运动或从事危险工作时。
实验建议：在实验基础上，我们提出以下建议：1. 推广和普及头盔的使用，在需要保护头部安全的领域，如运动、工程施工等，鼓励人们佩戴头盔。
2. 研发更高效的保护头盔，使其能够在更严峻的冲击力下发挥更好的保护作用。
3. 加强对头盔质量的监管和检测，确保头盔的质量和安全性能。
该实验为我们深入了解和认识头盔的保护作用提供了科学依据，对于促进头部安全、减少头部受伤具有重要意义。
希望本实验的结果能够引起更多人的重视和关注，提高对头部安全的重视程度。
防弹头盔防非贯穿性损伤性能测试技术研究
要 任务 的美 国反 恐技 术支 持工 作组 （ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｓ ｕ ｐ ｐ ｏ ｒ ｔ Ｗｏ ｒ ｋ ｉ ｎ ｇ Ｇｒ ｏ ｕ ｐ，Ｔ Ｓ ＷＧ ）立项 开展单兵 防弹 装备 Ｂ Ａ Ｂ Ｔ 效 应 测试 技 术研 究 ，并于 ２ ０ ０ ５ 年追 加 了研究 经 费 ，用 于 Ｂ Ａ Ｂ Ｔ 效应评估标准 的研究。上述研究项 目的启动和开展 ，
Ｔ Ｇ ０ ０ １ 联 合研究项 目，英 、法、荷等若干欧洲国家的研究
枕骨 （ Ｏ ｃ ｃ ｉ ｐ ｉ ｔ ａ １ ）
５ ． １ ４～ ９ ５ ４
机构参加 ；２ ０ ０ ０ 年前后 ，美军 Ｎ Ａ Ｔ ｌ Ｃ Ｋ中心开展 了针对 防
弹头盔的非贯 穿性损伤效应的研究 ，制定了防弹头盔非贯 穿性损伤的头 骨骨折指数 （ Ｕ Ｖ ａ】；２ ０ ０ ２ 年 ，以反恐为主
－ Ｊ 警 用装 备
防弹头盔 防非贯穿性损伤 性能测试技术研究
高晓清’ 黄献聪 周宏 孟波’ １ ． 公安部第一 研究所 ２ ． 总后 勤部军需装备研 究所
摘 要 ：个体 防弹装备防非贯穿性损伤性能的问题 近年 来受到广泛关注。以军 警防弹头 盔的非贯 穿性损伤 为重点 ，从评 价指标和 测试 技术两个 方面对该问题 的国内外研究进展进行综述。
点局部在特定胶泥上的凹陷深度或头模中心部位的冲击加
速度。虽然该表征方法具有操作简单的优点 ，但无法与人 体受弹击后受到 的非贯穿性损伤程度进行直接对应，且各 国 标 准对 头 盔 弹击 瞬 态 凹 陷度 限 值 的规 定 从 １ ２ ｍｍ ～ ２ ５ ｍｍ不 等。另外 ，在受弹击作用过程中 ，人体头颈部会
我做的模拟头盔保护脑的实验记录实验方法实验现象
我做的模拟头盔保护脑的实验记录实验方法实验现象为了更直观地向市民解释头盔对电动自行车驾驶人头部的保护作用，现场先进行了一个简单的实验：将两个西瓜从2米左右的距离自由落体扔下，其中一个包裹在头盔里，另一个则没有任何保护措施。
实验证明，虽然戴头盔的西瓜也有轻微的裂纹，但是跟另一个被摔得完全碎裂的西瓜相比，起到的作用不言而喻。
国家摩托车质量监督检验中心（天津）主任刘欣表示，佩戴安全头盔时并不能百分之百的不受到冲击，而是将冲击降到最低，从而给电动自行车驾驶人的头部带来较大的保护，这也是不少市民对头盔存在的认知误区。
而且头盔具有防穿刺的功能，当电动车驾驶人头部碰到利刃、钉子、尖石时，能够保障头颅不被撞伤。
当驾驶人从电动自行车上摔倒时，重力加速度导致头部的速度相当于20公里每小时，再加上车辆本身的速度，非常容易对头部造成较大伤害。
据公安交管部门事故支队法医邢鑑琨介绍，人类颅脑起到保护作用的主要有8块骨头，其中较为坚硬的为枕骨、额骨、顶骨，较为脆弱的是两侧的颞骨和颅底的蝶骨，一旦人骑车时向两边摔倒时，很大可能伤到较为脆弱的颞部，即使是较为坚硬的骨骼受到撞击，也可能通过挤压导致较为脆弱的骨骼受伤，从而造成颅脑损失。
合格与不合格头盔对比:保护作用差别大为了通过更专业的数据对头盔的作用进行介绍，刘欣主任专门进行了碰撞能量吸收的实验：将一块带有传感器的模型放入头盔中，通过专业的实验器材测量，了解到头盔从高处坠落发生碰撞时能吸收到的碰撞能量。
实验要求，头盔从0.8米高的距离呈自由落体向下掉落，届时会产生600G的碰撞能量，头盔就是对这些碰撞能量进行吸收。
实验开后，头盔被缓缓上升到指定高度，然后猛地掉落在撞击砧上。
根据检测到的数值，头盔发生碰撞后内部传感器接收到的碰撞能量仅剩130G，由此可见头盔已经缓冲大部分碰撞能量。
随后，工作人员又拿出一个不合规的头盔，进行了同样的实验。
根据测到的数据，头盔发生碰撞时传感器接收到的碰撞能量仍为600G，没有任何碰撞能量被吸收，而此时实验用的头盔已经破裂、损坏。
基于Facet模型及组合式假人对汽车-摩托车碰撞事故的仿真
第37卷第14期振动与冲击J O U R N A L OF VIBRATION A N D S H O C K Vol.37 No. 14 2018基于F a c e t模型及组合式假人对汽车-摩托车碰撞事故的仿真孔令爽$，秦闯金先龙侯心一2,邱忠2(1.上海交通大学机械动力与工程学院，上海200240;2.上海市公安局交通警察总队，上海200070)摘要：为了更好的解决汽车-摩托车碰撞事故的仿真再现问题，一种新的仿真模型及方法被提出。
该方法采用 Facet模型建立事故汽车及摩托车的三维模型，采用组合式假人模型建立骑车人的三维模型。
由Photomodele■软件得出碰撞初始条件，并利用Madymo软件对事故碰撞过程进行直观的三维仿真再现。
针对一起实际的轿车与摩托车碰撞事故，采用上述仿真模型及方法进行事故模拟。
仿真结果与实际事故情况可以较好吻合，人体损伤数据与法医鉴定结果可以较好吻合，从而验证了此种仿真模型及方法的可行性及有效性。
关键词！Facet模型;组合式假人;Madymo #碰撞仿真中图分类号！U491.3 文献标志码：A DOI：10.13465/j. cnki. jvs. 2018.14.006Simultition for vehicle-motor collision accidents based on the Facet model and combined dummiesKONGLingshuang\ Q IN C huang\ JIN G Xianlong\ HOUXinyi2，QlUZhong2(1. School of Mechanical Engineering，Shanghai JiaoTong University，Shanghai 200240，China；2. Traffic and Police Office of Shanghai，Shanghai 200070，China)A b s t r a c t:A new modeling metliod was proposed in order to analyse vehicle-motor collision accidents.A3D model for the accident vehicle and motor was established by the Facet model，and that of the motor hybrid FE-MB models.The initial collision conditions were obtained by using the software Pho software was used to reconstruct and simulate the process of collision accident.Based on accident，the modeling met!iod was adopted in the simulation analysis to perform the accident reconstruction.In this way，the simulation results are i n good agreement with the actual situation，and the injury conditions of human body also agree well wit!i the forensic identification.Therefore，the modeling method was validated and would achi accuracy in vehicle-motor accident analysis.K e y w o r d s：Facet model；combined human；Madymo；collision simulation在中国很多二三线城市，摩托车使用量逐年上升，进而摩托车交通碰撞事故也频繁发生。
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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
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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Altair 2009 HyperWorks 技术大会论文集
(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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Altair 2009 HyperWorks 技术大会论文集
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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图 7
某型号头盔仿真冲击加速度曲线
图 中的曲线是根据放置在头模重心处的加速度计提取到的冲击加速度曲线.根据仿真 得到如下数据: 表3 冲击方式 前冲击 侧冲击 斜侧冲击 尾冲击 顶冲击 仿真分析下各方向跌落冲击加速度值 最大加速度(G) 166.7 186.2 166.6 126.5 158.3
从图 7 和图 5,图 6 的对比可以看出,仿真曲线和试验曲线形状非常吻合,而且最大加 速度值的误差不超过 10%(尾冲击除外) ,尾跌落的仿真结果和试验值的结果相差相对较大 一些,这主要是因为尾冲击的冲击位置很难确定,头盔的尾部不是平的,头盔和钢砧的位置 稍一变化结果就大不相同, 在没有试验的确切位置下, 尾冲击的冲击位置的随机性就比较大 了.
5 总结
本文展示了采用 RADIOSS 软件对自行车用头盔进行跌落仿真的分析过程, 结果与物理
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Altair 2009 HyperWorks 技术大会论文集
试验吻合的很好,证明了采用有限元手段进行替代物理试验指导结构优化设计的可行性.
6 参考文献
[1] N.J. Mills,S. Wilkes,S. Derler & A. Flisch. FEA of oblique impact tests on a motorcycle helmet. International Journal of Impact Engineering,2009 [2] N.J. Mills, A. Gilchrist. Finite-element analysis of bicycle helmet oblique impacts. International Journal of Impact Engineering 35 ,2008
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