头部—聚苯乙烯泡沫—铝蜂窝缓冲系统冲击响应与优化设计

卢富德　陶伟明　周建伟　高德　王炳涛

摘要：典型的头盔是由一层聚苯乙烯（EPS）泡沫作为内衬，为了改变头盔结构及改善吸收能量的能力，内衬局部出现了由EPS和铝蜂窝两层材料作为内部衬垫的新颖头盔以吸收能量。为研究此头盔的缓冲性能，基于EPS宏观三维可压缩本构关系与蜂窝薄壁壳结构，建立了头部一泡沫一铝蜂窝系统三维有限元模型。然后以EPS的密度、厚度，与蜂窝结构的胞元边长和厚度为设计变量，以比吸收能量最大为优化目标，得到对应的目标优化函数。最后运用响应面方法对此三维有限元结构进行优化设计，结果表明泡沫一蜂窝复合缓冲结构具有较好的吸收能量的能力，并有良好的适应性，为层状缓冲系统的冲击响应与产品开发提供了参考。

关键词：聚苯乙烯泡沫；铝蜂窝；头盔；本构关系；优化设计

引言

因其比吸能大，多胞泡沫应用于运输包装、头盔、汽車等行业的吸收能量领域中。为防止人脑发生一定的损伤，一般用EPS作为头盔内衬。泡沫作为内衬以吸收人在事故中产生的能量。Cui利用数值方法介绍了密度梯度泡沫在头盔内衬的应用，发现其有较好的适应性。在冲击载荷较小时，密度较小的部位起到缓冲作用，而密度较大的部位只有在载荷较大时才引起变形，以发挥其缓冲的功能。

Gaetano开发了由EPS和铝蜂窝两层作为内衬，其后Caserta研究了EPS-铝蜂窝缓冲系统在单轴载荷下的力学行为。蜂窝在异面方向加载，其变形模式为薄壁结构的渐进屈曲，其应力-应变曲线上有一个很长的平台，最终导致蜂窝结构的比吸能与吸能效率大于泡沫，它的引入改善了内衬的吸收能量的能力。

为了更好地研究EPS-铝蜂窝结构的吸收能量的能力，本文利用有限元方法，对其结构冲击响应及优化设计进行分析，也能对此结构的缓冲性能进行有效的评估。