头盔盔体筋条结构抗冲击性能影响分析

李 强

（江西联创电声有限公司，江西 南昌 330096）

头盔是保护各类相关领域人员生命安全的重要装备，据专业研究机构的报告表明：每年进行各类运动、驾驶过程中，受伤或死亡的人数有98%未戴头盔，而在撞击事故中未佩戴头盔人员，产生撞击时，冲击力直接作用在人员头部，头部是人身体最重要的器官，运动和驾驶过程必然会使其处于危险之中。与其他形式的外部物理损伤相比，脑损伤会带来更严重的影响，有时甚至是不可逆的。因此，头部佩戴防护装备十分重要。

运动过程中佩戴头盔，由于头盔结构造型一般为光滑的半球形，此结构形式能快速分散并吸收冲击力，且在受到撞击过程中，头盔会产生形变，也可吸收一部分能量，加之安全头盔内的缓冲装置，进一步吸收冲击能量，通过这种多层抵消冲击的设计，大大降低了人员头部受到伤害的程度。据相关统计表明，佩戴头盔可使人员头部受重伤的危险系数减少85%以上，另外佩戴头盔可以提升运动或驾驶参与者的整体美感，能为运动或驾驶带来更大的乐趣。

1 现有头盔造型

现阶段，随着各种辅助设计软件及工具的使用，头盔结构可谓五彩缤纷，五花八门，但很多头盔的结构设计，往往过度重视美观性，而忽视了安全性。例如头盔盔体大量使用各类筋条结构；盔体放弃圆滑半球结构，采用异型多边结构；盔体上设置过多的凸起结构或通风孔结构，以上结构设计，确实在一定程度上增加了头盔的美观性。但是对头盔安全性产生的利弊，未被充分考虑及进行系统试验分析，文章针对盔体表面各类筋条结构，在受到冲击时，传递到头盔内部的力，展开研究，为相关设计提供参核。见图1。

图1 典型圆滑半球面头盔及筋条结构头盔

2 试验方案

2.1 试验目的

通过大量分析现有头盔盔体筋条结构，并选择两种典型的筋条结构，将其移植到一型头盔的盔体上，通过对比两种典型筋条结构与头盔圆滑面在受到冲击后的透过力数据，分析此类筋条结构的抗冲击优劣性。

2.2 试验设计

2.2.1 试验头盔构成

头盔由盔体、缓冲装置、佩戴装置构成，具体结构如下图2：

图2 试验用头盔结构

（1）盔体：

盔体结构：一型具备两种典型筋条结构及圆滑曲面结构的头盔盔体。盔体材料：尼龙；厚度：2 mm；重量：310 g。

图3 试验用头盔结构

（2）缓冲装置：

缓冲装置结构：与盔体内表面曲面特征一致，各个部位厚度均一。

材料：聚苯乙烯；厚度：14 mm；重量：80±3 g。

（3）佩戴装置结构：风带、解脱扣、固定装置。

主体材料：尼龙；重量：65±3 g。

（4）结构组合说明：缓冲装置通过胶黏剂粘贴在头盔内表面，佩戴装置通过螺钉安装在盔体下边缘。

2.2.2 主要试验装置

由落锤试验机、试验头模、落锤测力传感器和数据处理系统等组成，满足以下要求：落锤试验机应能实现落锤在一定高度范围内的自由升降、释放和定向冲击；落锤应为钢质圆柱形，冲击端面为半球形，直径为48±1 mm，质量为5±0.05 kg；试验头模固定在落锤试验机上；测力传感器为动态力传感器，测量范围为0N~20 000 N频率响应应大于等于5 kHz；数据处理系统测量精度±25%。

2.2.3 检验步骤

头盔按正常使用状态将佩戴系统调至最紧，将头盔佩戴在相应的试验头模上，保证缓冲装置与头模的接触为自然佩戴状态且稳定；调整落锤的轴线同传感器的轴线重合及头盔预定冲击位置重合；调整落锤的高度为1 000±5 mm；释放落锤记录冲击力值精确到1 N。

对一顶头盔标定的圆滑曲面、典型筋条结构一、典型筋条结构二，各进行一次冲击，记录冲击能量为49 J时，传递到试验头模上的力。

3 试验设计合理性分析

对试验头盔进行了合理简化，在保留抗冲击结构件的基础上，简化其他装置，可以最大限度剔除无关因素的影响，即在佩戴装置固定后，盔体和缓冲装置构成了一组抗冲击体系，在外界相同冲击能量作用下，同种缓冲装置的抗冲击能力一致，如果这时，出现抗冲击性能差异，那将是盔体结构差异导致。

同时，试验严格依据冲量守恒定律：

F＊S=mV1-mV2

在其他构件一致的情况下，盔体结构差异将是影响冲击装置速度变化或作用时间的唯一因素，也决定了最终冲击力F的数值，试验设计合理。

4 结果对比分析

采用三顶结构一致，同一批次生产的头盔进行试验。保证工艺稳定性，每顶头盔冲击点位中心位置误差±5mm，统计结果如下表1，图4。

表1 三种典型结构冲击力测试结果

图4 三种典型结构冲击力测试结果折线图

5 数据分析

测试结果表明：圆滑曲面结构对冲击有更佳的消减作用，同种材料，同样的冲击能量下，半球形圆弧面头盔的安全性更好。筋条结构凸起越高，对冲击的抵消作用越差，这符合此类结构，易产生引力集中的特性。同种材料，同样的冲击能量下，筋条结构的冲击力都超过5 000 N，根据相关标准，传递到试验头模上的力超过4 900 N，将会对人员头部产生严重损害。

试验后各个头盔冲击点位的状态：圆滑曲面位置冲击后结构完整，仅有轻微摩擦划痕。典型筋条结构一冲击后三顶头盔该位置结构出现明显压溃。典型筋条结构二冲击后一顶头盔结构出现过形变性破裂。典型筋条结构一传递到头模上的最大冲击力是圆滑曲面结构传递到头模上的最大冲击力的1.5倍以上。见图5。

图5 冲击后结构损伤图

6 结论

头盔盔体在设计中采用的筋条结构，一般情况下，除过提升美观性外，对头盔安全性并无实质性增强，由试验结果来看，往往会产生负面影响，导致头盔抗冲击性能下降；同时，由于筋条结构的存在，导致此部位容易产生应力集中，且在生产过程中，此位置易产生工艺缺陷，导致在冲击过程中，筋条结构无法很好地保证完整性，容易产生二次伤害；因此，筋条结构应用在头盔结构上，要十分慎重，需要配合大量的试验验证，必须要使用时，也应该规避相关国标规定的头盔防护区域，保证头盔抗冲击性能及人员安全。