一种蜂窝夹层智能头盔的设计

摘 要：随着时代发展和交通工具的日益完善，头盔成为保障交通安全中必不可少的设备。市面上的头盔防撞击能力较低且功能单一，本文在传统头盔的基础上嵌入一部分蜂窝夹层结构来加强头盔的吸能效果，以减轻外部冲击对头部产生的伤害。在功能方面以STM32F103ZET6为主控制器，搭载了SIM868模块、振动传感器和陀螺仪角度传感器等模块，以实现检测定位报警功能。经试验证明，这种头盔可以有效减轻当事故发生时外部对头部的冲击力，不仅可以保障事故发生人员头部安全，还可以对事故发生人员进行精准定位、自动报警以及实时通信，为事故人员争取宝贵的救援时间。

关键词：智能头盔；蜂窝结构；有限元分析

中图分类号：TP 183 " " " " " " 文献标志码：A

随着交通工具普及，交通事故发生率显著增长，因此需要一种性能更高的头盔来减少交通事故对头部的伤害。目前市面上的头盔大多是以EPS材料为缓冲材料，应对外部撞击产生的冲击力时吸能效果欠缺，对头部的保护不足。夹层结构具有轻巧承力、高比强度和高比刚度的特点，其中，以蜂窝夹芯结构为代表的一类夹层结构还具有出色的能量吸收性能。因此，在普通头盔的基础上嵌入一部分蜂窝夹层结构来加强头盔的吸能效果，减轻外部冲击对头部产生的伤害。对蜂窝夹芯结构在动态冲击加载下的研究包括冲击、爆炸冲击和弹丸冲击等多方面。相关研究表明，蜂窝夹层结构具有更好的抗弯性能和抗爆炸冲击性能，这与其良好的塑性弯曲强度、面内拉伸能力密切相关[1]。本文参考前辈们的研究成果，在头盔的顶部和侧面嵌入蜂窝夹层结构，再以STM32F103ZET6为主控制器，搭载SIM868模块、震动传感器、陀螺仪角度传感器等模块，实现头部保护、精准定位、自动报警以及实时通信等一系列功能，保障驾乘人员的安全。

1 头盔结构设计

1.1 蜂窝夹层缓冲头盔的原理

从力学角度看，六边形是最稳定的。仔细观察蜂房，蜂房由许许多多大小相同的窝组成，是排列整齐的六边形。比较圆形、方形结构正面撞击下的各项吸能指标可发现，在同等条件下，形内自相似六边形蜂窝结构的总吸能、比吸能和吸能效率均优于圆形、方形结构[2]。

蜂窝材料具有良好的吸能特性，一旦受到外部的冲击载荷，其胞壁结构就会发生弹性和塑性变形，变形过程可以吸收大量冲击能量[3]。正六边形蜂窝是一种正交各向异性材料结构，虽然很多学者对其面内性质和异面缓冲吸能特性进行了研究，但是大多集中在单胞结构上[4-5]。随着吸能缓冲结构的轻量化和抗冲击要求不断提高，多级蜂窝结构的构建和分析尤为重要。由AJDARI等[6]提出的多级自相似蜂窝利用几何分形法在蜂窝六边形的节点上增加了六边形，构造出蜂窝多级结构，性能得到了显著提升。蜂窝夹层的蜂窝芯就是这种六边形结构。蜂窝夹层由多个蜂窝芯连接组成，当受到较大冲击力时，蜂窝夹层具有较好的吸能作用。将这种结构运用到头盔中，当头盔承受外部压力时，蜂窝夹层能够将力均匀分散到相邻的6个面，减少局部应力集中，从而增强了整体吸能能力，最终降低对头部的伤害，起到保护头部的作用。本文在普通头盔的基础上分别在头盔顶部、左部、右部以及后部运用了蜂窝夹芯结构（蜂窝芯边长6 mm，壁厚0.04 mm，高25 mm）[7]，也就是将蜂窝夹层结构嵌入头盔中，以代替一部分EPS缓冲材料，增强对外部冲击力的缓冲能力。

1.2 蜂窝结构参数设计

蜂窝夹层头盔缓冲层图如图1所示。当头盔顶部受到法向力时，蜂窝夹层能将法向力均匀分布在头盔表面，降低应力集中，以此来降低头部受到的伤害。因此在整个缓冲过程中，蜂窝夹层的剪切模量对分散头盔所受外部的力具有重要作用。关于蜂窝夹芯的力学参数推导和结构参数的选取，张云飞[7]、赵金森等[8]做了一些工作，结合其推导可得以下结果。

当切向力对着蜂窝芯表面受力时，整个蜂窝夹层的面内弹性模量如公式（1）所示。

（1）

式中：E为面内弹性模量；Es为夹芯材料的弹性模量；t为胞壁的厚度；l为胞壁的长度。

面内剪切模量如公式（2）所示。

（2）

式中：G1为面内剪切模量。

由此可知，当变小、变大时，面内弹性模量与剪切模量呈增大趋势。

当切向力顺着蜂窝芯薄壁受力时，整个蜂窝夹层的横向剪切模量如公式（3）所示。

（3）

式中：G2为横向剪切模量；Gs为夹芯材料的剪切模量；γ为剪应变。

横向弹性模量E如公式（4）所示。

（4）

式中：E为横向弹性模量；Es为夹芯材料的弹性模量。

由此可知，当变小、变大时，横向弹性模量与剪切模量也呈增大趋势。

综上所述，当t越小、l越大时，整个蜂窝夹层的弹性模量与剪切模量越大，对切应力的吸能效果更好。结合结构参数[8]，最终选取蜂窝夹层参数为边长6 mm，高25 mm，壁厚0.04 mm。

1.3 头盔蜂窝结构和普通结构下头部接触力有限元分析对比

将AA3003H18铝合金[7]作为蜂窝夹层材料，头部和头盔各部分材料参数见表1[9]。对2种头盔顶部分别施加一个法向力并进行仿真，分析收集的各种交通事故。假设人与车的质量为250 kg，撞击速度取7.5 m/s，头盔的接触面积取0.096 2 m2，对头盔-头部的受力情况进行有限元仿真分析。

有蜂窝夹层结构和无蜂窝夹层结构的头部法向接触力对比如图2所示。由图2可知，有蜂窝夹层结构的头部最大法向接触力为0.000 682 26 MPa，无蜂窝夹层结构的头部最大法向接触力为0.001 653 6 MPa。有蜂窝夹层结构头部所受法向接触力比没有蜂窝夹层结构头部所受法向接触力小10倍，在法向上的吸能效果明显高于普通头盔，可以充分减少头部受到的直面撞击力，保护头部安全。

头盔头部切向应力头部受力如图3所示。由图3可知，有蜂窝夹层结构的头部最大法向接触力为0.001 727 7 MPa，无蜂窝夹层结构的头部最大法向接触力为0.003 120 3 MPa。有蜂窝夹层结构头部所受剪切接触力比没有蜂窝夹层结构头部所受剪切接触力小近2倍，在切向上的缓冲效果也要优于普通头盔，可以更好地吸能并降低冲击力，保护头部安全。

综上所述，无论是在法向上，还是在切向上，蜂窝夹层结构头盔均具有比普通EPS缓冲头盔更好的吸能效果，能在较大程度上减轻交通事故对头部的冲击力，并在事故发生的第一时间更好地保护头部。因此，在头盔的缓冲结构方面，蜂窝夹层结构比普通头盔的EPS缓冲层更好，可以充分发挥头盔的缓冲作用，对头部进行有效保护。

2 头盔附加功能的设计和介绍

2.1 头盔附加功能的设计

头盔附加功能的研究主要分为触发报警、信息传送、关联手机以及在OneNET云服务器上进行实时监测4个部分。整体原理如下：以STM32F103ZET6为控制器，搭载SIM868模块、震动传感器、陀螺仪角度传感器等模块，进行精准人员定位、实时语音通信、自动报警、发送位置信息至北斗平台实时地图显示以及手机实时观测，当发生交通安全意外时，本文头盔不仅可以减少外界对头部的伤害，还可以进行定位报警和北斗平台实时监测。具体设计构想如下：本头盔报警触发模块分为2个部分，分别为偏转角度检测部分和震荡检测部分，采用陀螺仪传感器模块和震荡传感器模块；信息传送主要采用SIM868模块，SIM868模块包括北斗定位模块与北斗卫星通信模块。

2.2 头盔附加功能介绍

触发报警：报警触发模块分为2个部分，分别是偏转角度检测部分和震荡检测部分。头盔使用了陀螺仪传感器模块和震荡传感器模块，当危险发生时，可以自发报警。

陀螺仪传感器模块：将陀螺仪的临界报警角度设置为15°，也就是当头盔偏移角度超过15°时，满足报警触发的第一个条件，系统会触发其他模块，以实现检测功能。

震动传感器模块：振动传感器是一种目前广泛应用的报警检测传感器，它通过内部的压电陶瓷片加弹簧重锤结构感受机械运动振动的参量（例如振动速度、频率和加速度等），并将其转换成可用输出信号，再经过LM358等运放放大并输出控制信号。头盔选用SW-18020P振动传感器，模块采用比较器输出，信号干净、波形好且驱动能力强，输出形式是数字开关量输出（0和1），使用宽电压LM393比价器。当陀螺仪传感器检测到头盔角度偏移时，陀螺仪传感器的检测就会被触发，当头盔与地面发生猛烈撞击时，安装在头盔内部的振动传感器模块就会检测到震动，进而打开报警触发模块，以实现报警功能。同理，如果震动模块未检测到震动，就不会被打开报警触发模块，可显著减少报警误差。

信息传送：利用北斗导航系统在全球范围内实时进行定位、导航，为用户提供低成本、高精度的三维位置、速度和精确定时等导航信息，还可以提供车辆定位、防盗、反劫、行驶路线监控以及呼叫指挥等服务。

关联手机：GSM根据获取的北斗信息实时精准定位，以短信形式发送位置信息，提醒事故发生；GPRS向物联网云平台OneNET传输位置信息，进行实时地图显示，快速获取周边环境、交通等信息；手机客户端连接OneNET进行实时监测。

3 结语

随着交通工具普及，交通事故发生率显著增长，因此需要一种性能更高的头盔，以降低交通事故对头部的伤害。针对上述问题，本文提出在普通头盔的基础上嵌入一部分蜂窝夹层结构来加强头盔的吸能效果，减轻外部冲击对头部产生的伤害。进行头盔建模和有限元仿真，分析头部的受力情况，探究嵌入蜂窝夹层的实用性，由此可知，蜂窝夹层结构能够将所受法向力向四周少匀传递，避免应力集中，使头部受到较大伤害。无论是在法向上，还是在切向上，本头盔均能展现出比普通EPS缓冲头盔更出色的吸能效果，从各个方向对头部进行保护。增加的一系列附加功能不仅可以在第一时间保障事故发生人员的头部安全，还可以进行精准定位、自动报警和实时通信，为事故人员争取宝贵的救援时间。

参考文献

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