基于ECE R22.05标准的头盔缓冲层防碰撞性能实验研究*

温为才 李远新 付东明

(1.五邑大学机电学院，江门 529000；2.江门出入境检验检疫局，江门 529000)

0 引言

摩托车引起的交通事故伤亡中，因颅脑损伤致死的高达约80%，这与头盔佩戴率低、头盔质量低劣等因素有关[1]。欧洲摩托车乘员头盔标准ECE R22.05和我国摩托车乘员头盔标准GB 811—1998中规定了头盔安全性能评估的两个重要指标: 头部损伤判断准则(Head Injury Criterion, HIC)及加速度峰值(Peak ACC)。头部损伤判断准则(HIC)源于著名的“韦恩头部损伤极限曲线(Wayne State Tolerance Curve)”[2]，是目前较为广泛被接受的、用来衡量头部在外来载荷下安全性的一种损伤判断准则。文献[3]就头部有限元模型的发展过程及最新进展进行了较为全面的综述。文献[4]采用有限元方法对人类头部有限元模型进行三张不同的加载，模拟脑组织在限制了HIC值为1000时的应力，认为用HIC值来衡量直接撞击下头部损伤的可能性具有一定的科学性和可靠性。

目前，对摩托车头盔安全性能的研究主要集中在头部碰撞的模拟分析、生物力学实验等方面[5]。针对头盔本身防碰撞性能的研究较为少见，而头盔的缓冲层对于头盔的防碰撞性能具有重要意义。本文主要从缓冲层的密度与结构设计入手，构建了双密度串并联EPS缓冲结构的头盔模型，并试制了不同缓冲层密度设计的头盔样品。基于欧洲头盔标准ECE R22.05进行了实验设计，对不同密度和结构设计的头盔缓冲层在碰撞过程中的动态响应特性进行测试分析，从而研究缓冲层有效降低头盔碰撞过程的HIC及Peak ACC值的密度与结构设计规律。

1 人体头部受撞击的损伤指标

1.1 盖德损伤指标(Gadd Severity Index, GSI)

Gadd[6]等用双对数坐标画韦恩曲线，发现可用直线近似描述韦恩曲线，以此为基础提出GSI指标。

(1)

式中：a为撞击过程中头部质心合加速度，以g(g=9.81m/s2)为单位；n为大于1的加权指数;T为冲击历经总时间；t为冲击过程的时间变量。

从式(1)可以看出GSI值是整个撞击过程中头部承受加速度的加权的积分，其缺点并没有直接反映到峰值加速度对头部伤害的影响。研究表明，当GSI值大于1000时，则认为此冲击会对头部产生严重的撞击伤害。

1.2 头部损伤判断准则(Head Injury Criterion, HIC)

Versace[7]对GSI指标进行修改，得出HIC准则，该准则在1972年被采纳为美国联邦机动车辆安全标准(FMVSS 208)。

(2)

式中:t1是撞击过程中的任意时刻；t2是以t1为起始时刻而使等式右边求得最大值的那个时刻。

HIC准则被各国的汽车安全法规所采纳，同时也是现行的头部损伤防护装置(如安全头盔)设计的重要参考标准。

2 双密度串并联EPS缓冲结构头盔模型的建立

本文构建了一种适用于越野摩托车的安全头盔几何模型，主要由壳体、双密度串并联EPS缓冲层、衬垫组成，如图1和图2所示。其中缓冲层在头顶部分为内、外两层进行“并联”，并选用密度分别ρ和ρ1的 EPS材料，而头盔B和R处的缓冲材料密度为ρ，且与P点处外层材料“串联”为一体，从而形成双密度串并联结构EPS缓冲层。头盔EPS缓冲材料密度ρ1取0.014 g/cm3，密度ρ分别取0.05，0.06，0.07，0.08 g/cm3四种，并制备若干样品。

3 实验设计与分析

3.1 基于ECE R22.05标准的实验方法设计

从ECE R22.05标准可知，采用平砧法将头盔从3m高度自由下落进行碰撞实验可以有效进行头盔的防碰撞性能测试，碰撞过程示意图如图3所示。本文设计的实验将高度提高至3.05m，以保证一定的余量。此外，平砧法测试时还对头盔进行高温处理以模拟高温天气下的真实碰撞环境，实验前需将头盔样品放置于温度为50°C，湿度为65%的烤箱中烘烤4～6h。根据ECE R22.05标准设计平砧法头盔碰撞测试及其评估标准如表1所示。双密度串并联EPS缓冲结构头盔模型采用平砧法进行碰撞测试，能可靠获取标准头部模型的HIC及Peak ACC值。

1.壳体；2.双密度串并联结构EPS缓冲层；3.衬垫图1 越野型头盔构成示意图

图2 头盔的B、R、P测试点位置

1.滑杆；2.M型标准头部模型；3.测试头盔；4.钢板图3 平砧法头盔碰撞测试示意图

表1 ECE R22.05平砧法头盔碰撞测试及其评估标准

3.2 实验研究

3.2.1 EPS缓冲层密度对Peak ACC与HIC值的影响

按照上述实验设计，通过对四种不同密度ρ的EPS缓冲层的头盔样品进行碰撞测试，获得标准头部模型质心合加速度的变化曲线。从图4可看出，头部B、R、P点的Peak ACC最大值(峰值加速度)发生在P点的碰撞，且对应的EPS密度为0.08g/cm3。在B点处进行平砧法碰撞时，四个密度设计对应的头部峰值加速度都小于200g，而P点则全部大于200g。当EPS密度ρ取0.06g/cm3时，头部模型在P点附近碰撞中可以获得四种密度对应峰值加速度的最小值，在B、R点的碰撞过程中也未超过170g。

通过头盔碰撞实验还可得到头部模型的峰值加速度(Peak ACC)及HIC值，测试结果如表2所示。

图4 不同EPS密度对应的头部模型质心合加速度曲线

表2 头部模型R、B和P点不同密度ρ对应的测试数据

从表2所得的Peak ACC和HIC与EPS缓冲层密度的关系可以用式(3)进行拟合：

Peak ACC(或HIC)=C3ρ3+C2ρ2+C1ρ+C0

(3)

得到拟合系数如表3所示。通过拟合成曲线可直观地分析头部碰撞时的Peak ACC和HIC值与EPS缓冲层密度的关系，如图5所示。

表3 拟合系数

图5 Peak ACC和HIC值与EPS密度的关系

从图5可看出，EPS材料密度ρ约为0.06g/cm3时头盔碰撞的Peak ACC和HIC可获得最佳值(最小值)，表明此时缓冲层可以对头部提供最好的缓冲效果。当密度ρ大于0.076 g/cm3时EPS材料作为缓冲层无法通过头盔跌落冲击测试的ECE R22.05标准。

3.2.2 双密度串并联结构EPS缓冲层的能量吸收分析

根据前述实验设计，通过调整双密度串并联结构EPS材料的密度ρ1和ρ，并按照已知头型质量m=5.66kg，ρ1=0.014g/cm3，冲击初速度v1=7.60m/s，冲击能E1=164J， 在头部模型R、B、P点分别碰撞钢板得到测试结果如表4所示。

表4 头部模型碰撞测试数据

从表4可看出，当密度ρ1取0.014g/cm3，ρ为0.06 g/cm3时，头盔碰撞的Peak ACC和HIC值最小，分别为207.5g和1968。由于密度ρ1为0.014g/cm3的EPS缓冲层吸能小、应力小但形变大，使P点总的受力面积比单一密度ρ的结构受力面积要大，从而降低Peak ACC值和HIC值；此时，P点冲击第一次冲击-回弹阶段吸能效率η降到76%左右，头盔相对回弹率ξ达到48%，其中P点的相对回弹率高，这是因为密度低于0.04g/cm3的EPS材料在压缩过程主要是以弹性形变为主而非塑性形变[8]。因此，结合表1的评估标准可知，双密度串并联结构EPS缓冲层具有较好的冲击能吸收效果。

4 结论

为满足某越野型头盔防碰撞性能的研究需求，构建了双密度串并联结构EPS缓冲层设计的头盔模型，试制了不同密度设计的头盔样品。基于欧洲摩托车头盔标准ECE R22.05对HIC和Peak ACC值的相关测试规定，采用平砧法对头盔样品碰撞过程的动态特性进行测试分析，根据实验结果分析得出以下结论：

1)密度约0.06g/cm3的EPS材料可以获得最小的峰值加速度和HIC值，而密度超过0.076g/cm3的EPS材料则不能通过ECE R22.05标准；

2)双密度串并联结构EPS缓冲层在头部碰撞过程中可以产生两个较低的Peak ACC值，从而避免了单层缓冲带来的较大Peak ACC值，即通过二级缓冲可以对头部提供更有效的保护，这也符合韦恩曲线的意义；

3)在满足ECE R22.05标准要求的头盔P点撞击测试中，头盔顶部的双密度串并联结构EPS缓冲层吸能效率大于76%，相对回弹率小于50%，EPS缓冲材料具有良好的吸能效果，未发生失效。

本文对头盔缓冲层材料、结构与密度设计对头盔防碰撞性能的影响进行了实验研究，主要通过实验获取头部模型的HIC和Peak ACC值，尚未进行头盔模型跌落测试的数值模拟过程，在以后的研究中应该进一步展开相关研究。

参考文献

[1] 俞春俊, 王长君. 摩托车头盔与摩托车交通事故的相关研究[J].中国安全生产科学技术,2009, 4(2): 76-77

[2] Lissner HR，Lebow M，Evans FG. Experimental studies on the relation between acceleration and intracranial pressure change in men. Surgery [J]. Gynecology and obstetrics, 1960, 111: 329

[3] 赵玮, 阮世捷, 李海岩. 应用于头部损伤生物力学研究的三维有限元模型发展概况[J]. 中国生物医学工程学报.2011,2(1):110-111

[4] 阮世捷，李海岩，王学魁，等. 对头部损伤判断准则适用性和可用性的新探索[J]. 生物医学工程学杂志， 2007,24(6):1374-1375

[5] 唐良富, 唐卡毅,张旻，等. 摩托车防护头盔发展现状和展望分析[J].防护装备研究2011,1(1)：24-25

[6] Gadd CW. Use of a weighted-impulse of criterion for estimating injury hazard[C]. Proc 10thStapp Car Crash Conf, 1966, 1:288

[7] Versace JA. Review of the severity index [C]. Proc 15thStapp Car Crash Conf, 1971, 1:771

[8] 霍银磊.低密度泡沫塑料的结构及其力学行为研究[D].江苏：江南大学，2008