電動兩輪車事故中不同頭盔對地面碰撞防護(hù)性能研究

韓 勇， 何 勇， 林麗雅， 李永強， 陳意升， 馮 浩

(1. 廈門理工學(xué)院 機械與汽車工程學(xué)院，福建 廈門 361024； 2. 司法部司法鑒定重點實驗室(司法鑒定科學(xué)研究院)，上海 200063； 3. 福建省客車及特種車輛研發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心，福建 廈門 361024； 4. 廈門宇詮復(fù)材科技股份有限公司，福建 廈門 361022)

公安部數(shù)據(jù)顯示，2019年電動兩輪車事故中騎車人死亡人數(shù)達(dá)8 639，受傷人數(shù)達(dá)44 677，其中電動兩輪車事故占非機動車事故的80%以上[1]。研究表明，在摩托車和電動兩輪車事故中，頭部損傷是所有損傷類型中占比最大的損傷類型[2-3]。頭盔作為頭部防護(hù)的一個重要部件，在公安部“一帶一盔”的倡議下，越來越多的電動兩輪車騎車人佩戴頭盔。

大量統(tǒng)計學(xué)研究和頭盔跌落試驗表明：頭盔能夠降低事故中摩托車和自行車騎車人嚴(yán)重的頭部損傷，并對線性沖擊下的顱骨骨折起到有效的防護(hù)作用[4-6]。Aldman等[7]提出在真實事故中，騎車人頭部損傷既源于線性沖擊，又與旋轉(zhuǎn)運動有關(guān)。頭部產(chǎn)生線性加速度是顱骨骨折和局灶性腦損傷發(fā)生的重要原因，而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)加速度則是局灶性腦損傷和彌漫性腦損傷發(fā)生的重要原因。研究發(fā)現(xiàn)頭部損傷準(zhǔn)則(head injury criterion,HIC)可作為評估頭盔對顱骨骨折防護(hù)的有效指標(biāo)[8]。然而對于頭盔能否降低由頭部旋轉(zhuǎn)運動造成的腦損傷風(fēng)險，目前沒有統(tǒng)一的指標(biāo)或閾值。Fahlstedt等[9]的研究得出頭盔將腦震蕩的風(fēng)險降低了54%； Deck等[10]提出頭盔并不能對其腦損傷提供較好的防護(hù)。此外， Erhardt等[11]的研究表明：頭盔類型對頭部損傷的防護(hù)有較大影響，其中佩戴半盔后頭部風(fēng)險概率是全盔的1.91倍，全盔的防護(hù)效果優(yōu)于半盔。

目前，基于深度事故重建的頭盔研究被認(rèn)為是研究頭盔防護(hù)性能較為科學(xué)的方法之一[12]。以往的事故重建案例大多來源于道路交通事故數(shù)據(jù)庫，如德國交通事故深入研究GIDAS(German In-Depth Accident Study)、法國的DSCR(Directorate for Road Traffic and Safety)以及當(dāng)?shù)仳炇俎k公室等，調(diào)查人員主要通過對事故現(xiàn)場進(jìn)行取證研究以還原事發(fā)過程，事故重建也只通過簡單對比初始碰撞位置及最終位置來檢驗有效性[13-16]。然而，研究表明運動學(xué)響應(yīng)及落地姿態(tài)是直接影響騎車人損傷的重要因素[17]。基于道路監(jiān)控視頻的事故重建由于可觀察到事故中騎車人完整的運動學(xué)響應(yīng)及落地姿態(tài)，可更為準(zhǔn)確地對事故中人體損傷情況進(jìn)行研究[18-19]。

本文根據(jù)真實頭盔幾何尺寸建立了3款頭盔有限元模型，并依據(jù)GB 811—2010《摩托車乘員頭盔》測試方法，對全盔a、半盔的有效性進(jìn)行了驗證(全盔b的驗證結(jié)果見Han等的研究)；其次，對3起電動兩輪車事故進(jìn)行多體與有限元重建，研究全盔和半盔在騎車人落地碰撞中對顱骨骨折及重度腦損傷的防護(hù)性能。

1 材 料

1.1 頭盔有限元模型建立

目前市場上電動兩輪車頭盔主要分為全盔和半盔兩種。與半盔相比，全盔對頭部的覆蓋保護(hù)區(qū)更大，盔體與保護(hù)下顎部件為一整體結(jié)構(gòu)。對于不同幾何結(jié)構(gòu)的全盔，其對頭部的防護(hù)效果有所差異。據(jù)此本文采用了宇詮復(fù)材科技股份有限公司制造并已通過現(xiàn)有測試的兩款典型全盔a，b及一款半盔。全盔a質(zhì)量為606.4 g，外殼是復(fù)合材料(玻璃氈、單絲氈，乙烯基樹脂等)，內(nèi)襯材料為聚苯乙烯泡沫EPS(expanded polystyrene)；全盔b質(zhì)量為1 490 g，外殼是玻璃增強型復(fù)合材料，內(nèi)襯材料是EPS；半盔質(zhì)量為537.5 g，外殼材料是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物ABS(acrylonitrile butadiene styrene)，內(nèi)襯材料為EPS。

全盔和半盔的有限元結(jié)構(gòu)主要包括外殼、內(nèi)襯泡沫及下顎帶，忽略了幾乎不吸收能量的舒適襯墊[20]。全盔a，全盔b及半盔有限元建模中的單元類型、節(jié)點數(shù)等信息，如表1所示。跌落測試中頭型依據(jù)其與頭盔的匹配關(guān)系選擇中型尺寸，通過六面體單元建模，使用到的平面鋼砧和半球形鋼砧也分別用六面體單元和四面體單元進(jìn)行建模。電動兩輪車頭盔、相應(yīng)頭型及鋼砧有限元模型，如圖1所示。

圖1 頭盔跌落驗證的有限元模型Fig.1 Finite element models for drop simulation

表1 3款頭盔有限元模型信息Tab.1 Information about the finite element models of three helmets

頭盔內(nèi)襯泡沫在壓縮變形中通過吸收沖擊能量，從而降低頭部損傷風(fēng)險。本研究中全盔a頂部泡沫密度是20 kg/m3，主體泡沫密度是40 kg/m3，側(cè)面泡沫密度是70 kg/m3；全盔b頂部泡沫密度是40 kg/m3，主體泡沫密度是55 kg/m3，側(cè)面泡沫密度是60 kg/m3；半盔泡沫密度是55 kg/m3。泡沫材料參考前人得出的不同密度EPS泡沫的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線[21-22]。全盔、半盔的外殼，下顎帶等材料均來源于Han等的研究和文獻(xiàn)[23]。頭型及鋼砧均為剛性材料，參考于Milne等[24]的研究。有限元模型的具體材料參數(shù)，如表2所示。全盔b的材料參數(shù)見Han等的研究，全盔a外殼的材料屬性參數(shù)如表3所示。其中PET(polyethylene glycol terephthalate)為滌綸樹脂。

表2 有限元模型的材料屬性Tab.2 Material properties of finite element models

表3 全盔a外殼的材料屬性Tab.3 Material properties of full helmet a outer shell

仿真中為了防止頭盔外殼和內(nèi)襯泡沫發(fā)生相對位移，采用“點對面”接觸(CONTACT_TIED_NODES_TO_SURFACE)來模擬實際的膠粘效果。在如頭型與內(nèi)襯泡沫、外殼與鋼砧之間的滑動界面，采用“面對面”接觸(CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE)進(jìn)行設(shè)置。在徑向跌落驗證中，采用彈簧單元(Discrete Springs)簡化模擬下顎帶的非線性彈性特征[25]，通過頭盔外殼和頭型臉頰處的連接對頭型進(jìn)行約束，如圖2(a)所示。而在真實事故碰撞仿真中，為了模擬頭盔在較大旋轉(zhuǎn)運動下的約束作用，用非線性彈簧單元將四邊形單元建模的下顎帶連接在頭盔外殼上，如圖2(b)所示。

圖2 頭盔與頭型及下顎帶的重要連接關(guān)系Fig.2 The important connection between the helmet and headform and jaw strap

1.2 頭盔有限元模型驗證

根據(jù)國標(biāo)GB 811—2010《摩托車乘員頭盔》的要求，將全盔a和頭型沿軌道分別上升到1 829 mm和1 384 mm 后做自由跌落，使頭盔跌落在平面鋼砧和半球鋼砧的速度分別為6.0 m/s和5.2 m/s；將半盔和頭型沿軌道上升到1 600 mm后做自由跌落，使頭盔跌落在平面鋼砧的速度為5.6 m/s。頭盔實際跌落中的場景，如圖3所示。全盔和半盔均分別在其相應(yīng)的試驗區(qū)選擇前、后、左、右不同方向位置的4個沖擊點，相鄰兩個沖擊點相距是最大周長的1/5以上。仿真中頭盔的跌落速度設(shè)置為實際試驗中傳感器測得的速度。全盔與半盔仿真中4個沖擊點位置的跌落工況及頭部質(zhì)心合成加速度與實際跌落試驗的曲線對比，分別如圖4和圖5所示。通過對比4個沖擊測試點下仿真和試驗的頭部質(zhì)心加速度峰值，誤差均在10%以內(nèi)，且仿真加速度曲線趨勢與試驗曲線接近，表明本研究中電動兩輪車頭盔模型的有效性。

圖3 頭盔跌落測試Fig.3 Helmet drop test

圖4 全盔a跌落工況及頭部質(zhì)心合加速度曲線Fig.4 Full helmet a drop conditions and head acceleration curves

2 方 法

2.1 事故重建及驗證

本文3起事故案例均來源于司法鑒定科學(xué)研究院。事故案例信息包括清晰完整的事故視頻、車輛受損位置、騎車人碰撞中整個運動學(xué)響應(yīng)、最終位置圖及死亡報告等。案例1中，電動兩輪車騎車人在三叉路口自西向東駛?cè)胫髀窌r，與一輛由北向南行駛的轎車發(fā)生正面碰撞，最終導(dǎo)致騎車人被碾壓，當(dāng)場死亡。尸檢報告顯示騎車人發(fā)生顱骨骨折。案例2中，一輛轎車在十字路口自西向東正常行駛時，左側(cè)擦碰上自北向南無視交通信號燈駛來的電動兩輪車，騎車人倒地受傷后經(jīng)搶救無效死亡。尸檢報告顯示，騎車人發(fā)生顱骨骨折、硬膜下血腫和蛛網(wǎng)膜下腔出血。案例3中，同樣是十字路口，一輛自西向東行駛的轎車，正面與自南向北的電動兩輪車發(fā)生碰撞，騎車人倒地受傷后經(jīng)搶救無效死亡。尸檢報告顯示，騎車人發(fā)生顱骨骨折、硬膜下血腫和蛛網(wǎng)膜下腔出血。在這3起事故中，盡管案例3中騎車人有戴頭盔，但頭盔與車輛碰撞過程在慣性沖擊下已于空中脫落。因而3起事故在與地碰撞中均無任何頭部防護(hù)，最終導(dǎo)致了騎車人頭部損傷過大致死。事故碰撞的詳細(xì)信息，如表4所示。

表4 3起事故碰撞的詳細(xì)信息Tab.4 Detail information of three accidents

事故重建方法與吳賀等[26]的研究一致。MADYMO中多體車輛前部結(jié)構(gòu)的剛度特性參考Euro-NCAP測試結(jié)果及Martinez等[27]的研究，電動兩輪車的剛度特性參考Maki等[28]的研究。此外，事故中騎車人身高、體重基于查爾摩斯理工大學(xué)行人數(shù)值模型(Chalmers University of Technology pedestrian numerical model，CPM) 50百分位男性成人模型進(jìn)行縮放而得。車輛碰前速度主要依據(jù)視頻逐幀分析法估算而得，車輛的初始位置和方向、電動兩輪車及騎車人的姿態(tài)根據(jù)視頻信息和車輛受損位置而設(shè)置?？紤]到事故重建中人與地的摩擦因數(shù)對重建結(jié)果的精度有顯著影響，故在以騎車人落地姿態(tài)及位置為首要前提下，在合理范圍內(nèi)反復(fù)修正計算模型的初始邊界條件[29]。

事故重建一般通過運動過程對標(biāo)、最終位置對比以及騎車人損傷狀況分析進(jìn)行有效性驗證。3種事故中，真實碰撞與仿真中騎車人整個運動學(xué)響應(yīng)的對比，如圖6所示。案例1中，騎車人被撞后側(cè)翻落地，頭部沒有與轎車發(fā)生接觸，仿真結(jié)果很好地模擬出這一運動學(xué)特征。案例2中，轎車側(cè)碰后，騎車人隨著電動兩輪車倒地，可以清晰地對比，仿真中騎車人的落地姿態(tài)與真實事故中極為相似。案例3中，騎車人的頭部與風(fēng)擋玻璃有輕微的接觸，整個運動學(xué)響應(yīng)與真實事故一致，且落地姿態(tài)也極為相符。

圖6 仿真和真實事故中騎車人運動學(xué)對比Fig.6 Comparison of rider’s kinematics in simulation and accident

案例2和案例3最終位置誤差對比，如圖7所示，易知誤差都在10%以內(nèi)。對于案例1，騎車人落地后被汽車碾壓后仍行駛了一段距離，盡管沒有現(xiàn)場的測量示意圖進(jìn)行最終位置對比，但考慮到騎車人落地前的運動學(xué)響應(yīng)以及文中的損傷情況與實際較為相符，因此保證了騎車人落地前邊界條件的準(zhǔn)確性。

圖7 仿真和真實事故中最終位置對比(m)Fig.7 Comparison of final position in simulation and accident (m)

2.2 有限元模型加載

根據(jù)事故重建的結(jié)果，提取出騎車人頭部與地面近碰撞時頭部、胸腹部、盆骨下肢三部分的三軸線速度和角速度等邊界條件?？紤]到身體及頸部的運動會對頭部損傷有一定的影響，故首先將日本豐田中央研發(fā)室開發(fā)的數(shù)值行人有限元模型THUMS 4.02(Total Human Model for Safety)姿態(tài)調(diào)整為多體重建下騎車人近碰撞時的人體姿態(tài)。在保證THUMS姿態(tài)與多體模型中一致后，將多體中假人的3個部分的邊界條件分別加載到THUMS人體模型相對應(yīng)的位置。3個案例中騎車人各部位邊界條件的具體數(shù)值，如表5所示。

表5 騎車人各部位的邊界條件Tab.5 Boundary conditions of each part of the rider

為了研究頭盔對頭部的防護(hù)性能，將頭盔加載到先前THUMS人體模型的頭部，在保證不干涉的前提下，輸入與該頭部同樣的三軸線速度及角速度。各條件下騎車人頭部落地沖擊前的整體姿態(tài)，如圖8所示。

圖8 騎車人頭部落地碰撞前姿態(tài)Fig.8 The postures of the rider before head landing

2.3 頭盔防護(hù)性能指標(biāo)選取

摩托車和電動兩輪車事故中，顱骨骨折是常見的損傷類型，騎車人的死亡原因以顱腦損傷為主[30-32]。本研究中3起案例騎車人的傷亡報告中均提到顱骨骨折，采用HIC15對顱骨骨折損傷風(fēng)險進(jìn)行評價。對于由頭部旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的腦損傷，尚未建立廣泛接受的評價指標(biāo)。王方等[33]指出在基于頭部運動學(xué)響應(yīng)的顱腦損傷評價準(zhǔn)則中，頭部碰撞能量(head impact power，HIP)是最能有效地評價真實顱腦損傷的指標(biāo)。在研究顱腦損傷中，角加速度指標(biāo)也被用于顱腦損傷風(fēng)險評估[34]。眾多研究表明，最大主應(yīng)變(maximum principle strain，MPS)和累積應(yīng)變損傷測量準(zhǔn)則(cumulative strain damage measure，CSDM)對腦組織損傷有很好的預(yù)測能力。Shi等研究發(fā)現(xiàn)，剪切應(yīng)力對重度腦損傷有良好的預(yù)測能力?；诖?，本文采用MPS、CSDM0.25、剪切應(yīng)力及HIP等指標(biāo)綜合評估重度腦損傷風(fēng)險。

3 結(jié)果及分析

3.1 頭盔對顱骨骨折的防護(hù)性能

為研究3款頭盔在騎車人落地碰撞中對顱骨骨折的防護(hù)性能，比較了有無佩戴頭盔時頭部質(zhì)心峰值合線加速度(peak resultant linear acceleration，PLA)及HIC15值，并進(jìn)一步研究全盔和半盔防護(hù)性能的差異。騎車人在有無佩戴頭盔時頭部質(zhì)心合成線加速度的變化情況，如圖9所示。易得出，3起事故中騎車人佩戴頭盔后，頭部質(zhì)心PLA值顯著降低且出現(xiàn)時間提前。這主要是因為戴頭盔后，頭盔內(nèi)襯泡沫先與頭部接觸，會分散和吸收頭部沖擊能量。

圖9 有無佩戴頭盔下頭部質(zhì)心合線加速度Fig.9 Head resultant linear acceleration for unhelmeted and helmeted riders

有無佩戴頭盔時頭部質(zhì)心的PLA與HIC值，如表6所示，并基于HIC值對顱骨骨折風(fēng)險(簡寫為Rsf)進(jìn)行評估。案例1中，佩戴全盔后的PLA及HIC值均降低60%以上，相應(yīng)的顱骨骨折風(fēng)險也由100%降到10%以下；佩戴半盔后，雖然HIC值降低了一半以上，但對顱骨骨折的防護(hù)效果幾乎沒有。案例2中，3款頭盔均將顱骨骨折風(fēng)險由98%降到6%。對于案例3，無論是全盔還是半盔，對顱骨骨折都有一個很好的防護(hù)，均將顱骨骨折風(fēng)險由92%降到5%以內(nèi)。這是由于線性沖擊下，頭盔的內(nèi)襯泡沫發(fā)生了有效壓縮，緩沖中能量的遞減對原本劇增的頭部質(zhì)心合線加速度產(chǎn)生了顯著的抑制作用，HIC值也隨之銳減。HIC值在2 000時，仍有80%以上的顱骨骨折風(fēng)險，故HIC未大幅度下降時，顱骨骨折風(fēng)險不會有顯著降低。

表6 頭部損傷值及顱骨骨折風(fēng)險Tab.6 Head injury values and skull fracture risk

案例1中有無佩戴頭盔時有限元模型頭部與地面沖擊過程，如圖10所示。未佩戴頭盔下，10 ms時頭部與地面發(fā)生接觸，線性加速度急劇上升；11 ms時面部與地面發(fā)生較大沖擊；14 ms時頭部已開始從地面回彈，線性加速度顯著降低。當(dāng)佩戴全盔a時，5 ms時頭盔與地面接觸發(fā)生沖擊；11 ms時，泡沫在吸收大部分能量后接近觸底，此時鼻骨與地面發(fā)生輕微撞擊，之后同樣開始回彈。佩戴全盔b后，2 ms時頭盔即與地面接觸；11～14 ms間鼻骨未與地面接觸，其與全盔a現(xiàn)象的差異源于泡沫密度及沖擊區(qū)域泡沫厚度的影響。佩戴半盔狀況下，3 ms時，半盔外殼前沿與地面發(fā)生接觸，泡沫開始緩慢壓縮；9 ms時，泡沫與地面接觸區(qū)域出現(xiàn)觸底現(xiàn)象，泡沫不能通過壓碎吸取更多能量，從而導(dǎo)致頭部線加速度大大增加，這與圖9(a)中的結(jié)果一致。11 ms時，面部與地面發(fā)生沖擊；14 ms時，頭部也開始回彈。在整個過程中，易發(fā)現(xiàn)，半盔帽檐與地面接觸發(fā)生撞擊時，保護(hù)頭部前額的泡沫沿著反向沖擊的方向發(fā)生一些移動和拉伸，導(dǎo)致泡沫與地面徑向接觸的厚度有所減少，這也加快了泡沫的觸底現(xiàn)象。

圖10 案例1中有無佩戴頭盔下頭部與地面沖擊過程Fig.10 Head to ground impact process for unhelmeted and helmeted riders in case 1

3.2 頭盔對重度腦損傷的防護(hù)性能

為了研究3款頭盔在騎車人落地碰撞中對腦損傷的防護(hù)性能，首先基于運動學(xué)響應(yīng)比較了有無佩戴頭盔時頭部質(zhì)心峰值合角加速度(peak resultant angular acceleration，PAA)以及HIP。騎車人有無佩戴頭時頭部質(zhì)心的合成角加速度，如圖11所示。案例1中，佩戴全盔a及b后，PAA均降低50%以上；佩戴半盔后，PAA由38 746 rad/s2降為26 340 rad/s2。案例2中，全盔a，b和半盔對騎車人頭部的PAA均起到了防護(hù)效果，PAA由28 617 rad/s2分別降低到18 776 rad/s2，17 697 rad/s2，24 093 rad/s2。案例3中，佩戴全盔a和b后，PAA由30 550 rad/s2分別降低到18 865 rad/s2和19 028 rad/s2；佩戴半盔后，PAA降低了一半以上。

圖11 有無佩戴頭盔下頭部質(zhì)心合角加速度Fig.11 Head resultant angular acceleration for unhelmeted and helmeted riders

騎車人有無佩戴頭時頭部質(zhì)心HIP的值，如圖12所示。案例1中，全盔a、全盔b、半盔將HIP由最初的77.58 kW分別降低到34.15 kW，31.71 kW和52.16 kW。案例2中，佩戴3款頭盔后，HIP由最初的52.24 kW分別降低到19.12 kW，25.09 kW和21.4 kW，均降低了一半以上。案例3中，佩戴3款頭盔后，HIP由最初的52.95 kW分別降低到16.93 kW，45.04 kW和29.21 kW。

圖12 有無佩戴頭盔下頭部質(zhì)心HIP值Fig.12 HIP in head for unhelmeted and helmeted riders

綜合分析：在騎車人落地沖擊中，3款頭盔均可降低頭部質(zhì)心PAA值，但仍超過重度腦損傷發(fā)生的閾值10 000 rad/s2[35]；對于HIP值，3起案例未戴頭盔下均超過了重度腦損傷發(fā)生的閾值48 kW[36]，案例1中，全盔a和全盔b將HIP值降到重度腦損傷發(fā)生的閾值以下，而半盔仍然超過閾值；案例2和案例3中，全盔和半盔均將HIP降到閾值以下。

騎車人有無佩戴頭盔時人體矢狀面下腦部剪切應(yīng)力的分布，如圖13所示。當(dāng)未佩戴頭盔時，案例1中高應(yīng)力主要集中在大腦額葉，案例2中高應(yīng)力主要分布在大腦額葉和大腦近小腦區(qū)域，案例3中未有明顯高應(yīng)力區(qū)域。3起案例在佩戴半盔后，高應(yīng)力區(qū)域幾乎沒變，而佩戴全盔a或b后，高應(yīng)力區(qū)域有所減少。案例1中，半盔的剪切應(yīng)力比不戴頭盔下的剪切應(yīng)力值略高，全盔均降低了剪切應(yīng)力值，但只有全盔b將其降低到重度腦損傷發(fā)生的閾值11 kPa以下[37]，如圖14所示。案例2中，3款頭盔均降低了剪切應(yīng)力值，但均未降低到閾值以下。案例3中，全盔a、全盔b、半盔將剪切應(yīng)力10.3 kPa分別降到6.0 kPa，8.7 kPa和8.7 kPa，均低于閾值。

圖13 有無佩戴頭盔下腦組織最大剪切應(yīng)力分布Fig.13 Shear stress distribution in brain tissue for unhelmeted and helmeted riders

圖14 有無佩戴頭盔下頭部剪切應(yīng)力Fig.14 Head shear stress for unhelmeted and helmeted riders

騎車人有無佩戴頭盔時人體矢狀面下腦部最大主應(yīng)變的分布，如圖15所示。案例1中未佩戴頭盔時高應(yīng)變主要集中在大腦額葉，佩戴半盔后變化較小，佩戴全盔a或b后僅出現(xiàn)較小的高應(yīng)變區(qū)域。案例2中未佩戴頭盔時高應(yīng)變主要分布在大腦額葉和大腦近小腦區(qū)域，佩戴3款頭盔后，高應(yīng)變區(qū)域均略微減小。案例3中未佩戴頭盔時，高應(yīng)變主要在大腦與小腦毗鄰區(qū)域，佩戴半盔后沒有明顯變化，佩戴全盔a或b后無高應(yīng)變區(qū)域。MPS和CSDM0.25的具體參數(shù)值，如表7所示，并參考Takhounts等[38]研究中最大主應(yīng)變與AIS 4+之間的關(guān)系來預(yù)測重度腦損傷風(fēng)險(簡寫為RM)，同時也用CSDM0.25與AIS 4+之間的關(guān)系來預(yù)測重度腦損傷風(fēng)險(簡寫為RC)。案例1中，就MPS預(yù)測的重度腦損傷風(fēng)險來看，3款頭盔幾乎沒有防護(hù)效果；就CSDM0.25預(yù)測的重度腦損傷風(fēng)險來看，全盔a和全盔b比半盔的RC降低更多。案例2中，就MPS預(yù)測的重度腦損傷風(fēng)險來看，3款頭盔仍效果不佳；就CSDM0.25預(yù)測的重度腦損傷風(fēng)險來看，全盔a和全盔b將RC由70%分別降到了18%和34%，而半盔僅降低到50%。案例3中，就MPS預(yù)測的重度腦損傷風(fēng)險來看，全盔a可將RM由90%降低到26%，全盔b和半盔僅降低到55%左右；就CSDM0.25預(yù)測的重度腦損傷風(fēng)險來看，全盔a、全盔b和半盔將RC由44%分別降到了1%，8%和32%。盡管3款頭盔對重度腦損傷風(fēng)險都有所降低，不難發(fā)現(xiàn)，全盔對重度腦損傷防護(hù)效果比半盔好。

表7 腦損傷參數(shù)值和重度腦損傷風(fēng)險Tab.7 Brain injury parameter values and risk of severe brain injury

圖15 有無佩戴頭盔下腦組織最大主應(yīng)變分布Fig.15 MPS distribution in brain tissue for unhelmeted and helmeted riders

綜合分析，從PAA，HIP等運動學(xué)指標(biāo)來看，全盔和半盔對于腦損傷防護(hù)沒有表現(xiàn)出優(yōu)劣性；從剪切應(yīng)力、MPS、CSDM0.25來看，全盔對重度腦損傷的防護(hù)效果優(yōu)于半盔。盡管不同表征參數(shù)下的腦損傷評估存在差異性，但頭盔對重度腦損傷有一定的防護(hù)效果，需一套更加完備的評估體系去衡量，以便于進(jìn)一步對頭盔的優(yōu)化。

4 討 論

在真實事故重建邊界條件下進(jìn)行頭盔顱骨骨折防護(hù)性能研究，結(jié)果顯示：案例2和案例3中，3款頭盔均將顱骨骨折風(fēng)險降低90%以上。在真實事故騎車人均有顱骨骨折情況下，這表明3款頭盔對顱骨骨折具有顯著的保護(hù)效果。然而在案例1中，全盔a，b將顱骨骨折風(fēng)險分別降至9%和5%，半盔盡管將HIC15值由6 088 降低到2 597，其顱骨骨折風(fēng)險仍為98%。其中一個原因是頭部與地沖擊的徑向速度過大，案例1中頭部z軸加載的初始速度為6.80 m/s，大于案例2和案例3中頭部z軸加載的初始速度4.87 m/s和4.54 m/s，佩戴半盔后與地沖擊下，頭部質(zhì)心的合線加速度仍然達(dá)到296.7g，這與Fahlstedt等[39]的研究一致。另一個原因是半盔帽檐與地面猛烈沖擊下，帽檐拉動內(nèi)襯泡沫發(fā)生變形甚至偏移，導(dǎo)致保護(hù)頭部前額的泡沫與地面徑向接觸的厚度有所減少，更容易發(fā)生泡沫壓縮觸底現(xiàn)象。Ito等[40]在研究頭盔撞擊A柱時，也會有類似的因泡沫局部變形導(dǎo)致泡沫觸底現(xiàn)象，從而出現(xiàn)較高線加速度，顱骨骨折風(fēng)險大大增加。

評估頭盔對重度腦損傷的防護(hù)性能時發(fā)現(xiàn)，在CSDM0.25預(yù)測的重度腦損傷風(fēng)險下，全盔a，b防護(hù)效果優(yōu)于半盔，但其在MPS預(yù)測的重度腦損傷風(fēng)險上效果不明顯，這種指標(biāo)不同帶來的結(jié)果差異性不能較好地評估頭盔對腦損傷的防護(hù)性能。研究中發(fā)現(xiàn)佩戴頭盔可減少頭部質(zhì)心的HIP值。Marjoux等的研究中指出，HIP與硬膜下血腫有良好的關(guān)系，而3起案例中有兩例騎車人發(fā)生硬膜下血腫。在之后的工作中，如何通過不同指標(biāo)有效評估某一確定的真實腦損傷，對研究頭盔在腦損傷方面的防護(hù)性能具有重要意義。

5 結(jié) 論

(1) 基于國標(biāo)GB 811—2010《摩托車乘員頭盔》，對兩款頭盔進(jìn)行仿真跌落試驗，并與試驗結(jié)果對比，結(jié)果表明，兩款頭盔有限元模型能夠較好地模擬頭盔的防護(hù)性能，可用于騎車人的頭部損傷防護(hù)研究。

(2) 在騎車人頭部的落地沖擊中，全盔和半盔均可有效降低HIC15值，從而降低顱骨骨折的風(fēng)險概率；但在額骨與地面沖擊中，半盔帽檐受到的沖擊力使徑向接地的泡沫發(fā)生偏移，泡沫過早觸底導(dǎo)致半盔對顱骨骨折的防護(hù)效果降低。

(3) 無論全盔a，b還是半盔，對PAA和MPS的保護(hù)作用并不明顯，但對HIP有顯著降低。此外，盡管在CSDM0.25預(yù)測的重度腦損傷風(fēng)險下，全盔a，b防護(hù)效果優(yōu)于半盔，仍需進(jìn)一步優(yōu)化頭盔對旋轉(zhuǎn)載荷的防護(hù)性能。