頭部—聚苯乙烯泡沫—鋁蜂窩緩沖系統(tǒng)沖擊響應(yīng)與優(yōu)化設(shè)計

盧富德　陶偉明　周建偉　高德　王炳濤

摘要：典型的頭盔是由一層聚苯乙烯（EPS）泡沫作為內(nèi)襯，為了改變頭盔結(jié)構(gòu)及改善吸收能量的能力，內(nèi)襯局部出現(xiàn)了由EPS和鋁蜂窩兩層材料作為內(nèi)部襯墊的新穎頭盔以吸收能量。為研究此頭盔的緩沖性能，基于EPS宏觀三維可壓縮本構(gòu)關(guān)系與蜂窩薄壁殼結(jié)構(gòu)，建立了頭部一泡沫一鋁蜂窩系統(tǒng)三維有限元模型。然后以EPS的密度、厚度，與蜂窩結(jié)構(gòu)的胞元邊長和厚度為設(shè)計變量，以比吸收能量最大為優(yōu)化目標(biāo)，得到對應(yīng)的目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)。最后運用響應(yīng)面方法對此三維有限元結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，結(jié)果表明泡沫一蜂窩復(fù)合緩沖結(jié)構(gòu)具有較好的吸收能量的能力，并有良好的適應(yīng)性，為層狀緩沖系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)與產(chǎn)品開發(fā)提供了參考。

關(guān)鍵詞：聚苯乙烯泡沫；鋁蜂窩；頭盔；本構(gòu)關(guān)系；優(yōu)化設(shè)計

引言

因其比吸能大，多胞泡沫應(yīng)用于運輸包裝、頭盔、汽車等行業(yè)的吸收能量領(lǐng)域中。為防止人腦發(fā)生一定的損傷，一般用EPS作為頭盔內(nèi)襯。泡沫作為內(nèi)襯以吸收人在事故中產(chǎn)生的能量。Cui利用數(shù)值方法介紹了密度梯度泡沫在頭盔內(nèi)襯的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)其有較好的適應(yīng)性。在沖擊載荷較小時，密度較小的部位起到緩沖作用，而密度較大的部位只有在載荷較大時才引起變形，以發(fā)揮其緩沖的功能。

Gaetano開發(fā)了由EPS和鋁蜂窩兩層作為內(nèi)襯，其后Caserta研究了EPS-鋁蜂窩緩沖系統(tǒng)在單軸載荷下的力學(xué)行為。蜂窩在異面方向加載，其變形模式為薄壁結(jié)構(gòu)的漸進屈曲，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線上有一個很長的平臺，最終導(dǎo)致蜂窩結(jié)構(gòu)的比吸能與吸能效率大于泡沫，它的引入改善了內(nèi)襯的吸收能量的能力。

為了更好地研究EPS-鋁蜂窩結(jié)構(gòu)的吸收能量的能力，本文利用有限元方法，對其結(jié)構(gòu)沖擊響應(yīng)及優(yōu)化設(shè)計進行分析，也能對此結(jié)構(gòu)的緩沖性能進行有效的評估。