發布時間：2020-03-20所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:為獲得地震救援頭盔在沖擊載荷作用下的破壞情況，以地震救援隊伍廣泛使用的MSAF2頭盔為原型，通過CT掃描、逆向反演建模獲得高精度有限元模型;分析地震廢墟內部墜物、磕碰造成的沖擊力，設計沖擊測試方案，對地震救援頭盔不同位置進行仿真受力，對沖擊向
摘要:為獲得地震救援頭盔在沖擊載荷作用下的破壞情況，以地震救援隊伍廣泛使用的MSAF2頭盔為原型，通過CT掃描、逆向反演建模獲得高精度有限元模型;分析地震廢墟內部墜物、磕碰造成的沖擊力，設計沖擊測試方案，對地震救援頭盔不同位置進行仿真受力，對沖擊向量不同因素致損性對比可見速度處于主要地位;地震救援頭盔可吸收70%的沖擊能力，但不同位置的變形和吸能效果變化較大。
關鍵詞:地震救援;頭盔;沖擊載荷;應變;能量吸收
頭盔是最主要、最有效的防止頭部、大腦受到傷害的裝備[1]，不同領域對頭盔防護性能的要求側重不同，但基本原理都是利用頭盔殼體、內襯變形吸收載荷能量，降低、避免人體頭部、大腦的損傷。針對頭盔的防護性能、材料性能、測試方法、測試標準等已經有了大量的研究[2]，但是如何更好地防止大腦受損尚未有統一認識[3]，頭盔的外形、規格、殼體及墊層材料都會對頭盔的防護性能產生影響[4]。地震救援工作往往開展于建構筑物廢墟內部，大量構件懸于空中，墜落時有發生，很小的墜物如果擊打到關鍵位置時就會造成人員死亡[5-6]。而由于地震救援工作經常處于狹小空間，救援人員工作時視線易受阻擋，動作難以展開，其危險程度成倍增加，頭部受到墜物打擊或與突出物發生碰撞的風險巨大，因此救援頭盔的防護性能就顯得更為重要。
早期研究者大多通過實際測試研究頭盔的防護機理。Lissner等通過尸體實驗得到了人體頭部耐受曲線(WSTC，WayneStateHeadInjuryToleranceCurve)，如圖1所示[7]。Gadd等對WSTC曲線引入加權因子，得出加德嚴重性指標(GSI，GaddSeverityIndex)，更符合人體的實際和實驗結果[8]。McIntoshA.S.以不同參數對4種頭盔模型進行了共計52次跌落、沖擊載荷試驗，發現頭盔可以起到重要保護作用[9]，但AndrewSMcIntosh、Bowman提出頭盔防御角加速度沖擊的性能仍然需要提高[10-11]，此外使用條件也會對頭盔防護性能的發揮產生影響[12]。
為了更好的研究頭盔的抗沖擊性能，特別是角加速度沖擊可能造成的影響，有限元技術被研究人員廣泛采用。A.Grujicic利用有限元技術分析了聚脲材料墊層在彈道沖擊力作用下的受力變形情況[13]。T.Darling使用GHBMC人體有限元模型發現沖擊載荷對胼胝體、中腦、腦干會產生一定影響[14]。AlirezaKarimi分析了新型PVA緩沖材料墊層在人體前額受到槍擊時的吸能效果，發現PVA可以吸收21%的沖擊能量[15]。LongBinTan通過實測和有限元仿真發現軟的、低密度塊狀墊層緩沖系統優于網兜緩沖系統[16]。JohnC.Goetz提出雙層緩沖構造厚度可以比單層構造縮減30%，且首層材料承受大部分載荷[17]。Tso-LiangTeng通過實測和仿真分析提出0.6mm的材料墊層可以基本滿足頭部防護的需要[18]。
國內對于頭盔的抗沖擊性能也有一些研究。馮志杰等仿真分析頭盔的氣動特性[19]。高曉清等使用高速攝像研究了防彈頭盔彈擊過程[20]。周宏等建立某型軍用頭盔的“盔-頭-頸”有限元動力學模型，分析了頭盔傳遞到頸部的沖擊力、相對位移和頭部加速度的變化規律[21]。馬皎皎等提出了消防頭盔的帽殼、懸掛裝置、墊層的設計要點[22]。楊洪澤分析評價了現行森林消防頭盔的外形結構、材料、安全、舒適性指標，結合人機工程設計提出了改良措施[23]。
綜上所述，作為地震現場救援人員的重要防護裝備，針對地震救援頭盔的抗沖擊性能研究還很少，也沒有統一的標準規范，因而現階段地震救援頭盔的防護性能指標未被地震救援人員得知。本文利用CT掃描、逆向反演建模獲得地震救援頭盔的高精度三維有限元模型，結合其他行業頭盔標準及地震現場墜物沖擊力的研究，設計沖擊測試方案，進行仿真受力計算，總結沖擊向量不同組成因素的影響，利用吸收百分比和吸收系數分析地震救援頭盔不同位置的變形和吸能效果，對其薄弱位置提出合理建議。
1有限元模型
1.1三維幾何模型的建立
近年來，高精度掃描技術和計算機技術的發展使得數字建模逐漸成熟。由高精度掃描獲取實體的三維模型，借助計算機技術進行逆向工程分析，獲取數字模型，方便進行逆向工程、虛擬現實、快速成型等方面的研究。本文由CT掃描圖像得到救援頭盔的原始切片，通過逆向反演、建模等處理得到三維模型。對MSAF2型救援頭盔使用美國GE公司的螺旋CTLightSpeedVCT進行層厚為0.625mm的高精度掃描，共獲得652張掃描圖像，對掃描圖像再通過擬合、除噪、封裝、細節修補、曲面光滑等操作，得到地震救援頭盔幾何模型。
1.2有限元組合模型的建立
由于地震救援頭盔屬于曲面復雜構造且具有孔洞，針對不同部分的重要程度以及實體結構，網格劃分的精細程度并不一致。在受力區域、孔洞等應力集中處為保證研究效果采用高質量的密集網格，在非受力區域、過渡區域等次要部位網格質量可以適當降低，這樣可通過降低模型的網格數量緩解計算壓力，提高計算速度，又能保證分析、計算結果的正確性。
對地震救援頭盔進行網格劃分后，將其與人體頭部有限元模型組合，得到后續分析所用的有限元組合模型，如圖2所示。其中腦組織網格48565個，節點10591個;顱骨34210個，節點9793個;肌肉部分網格166831個，節點40288個;頭盔網格59719個，節點15594個。
本文研究使用的MSAF2型地震救援頭盔，重量為580g(不含護目鏡)，其殼體材料為聚碳酸酯，內襯材料為輕質復合材料。殼體材料密度為1.18～1.22g/cm3，線膨脹率為3.8×10-5cm/℃，熱變形溫度為135℃。使用不同的彈性材料、粘彈性材料模擬顱骨、大腦及其連接部分，參考諸多文獻[24-25]，確定有限元組合模型各結構材料參數屬性定義見表1。
2沖擊測試方案
為得到地震救援頭盔在沖擊載荷下的受力情況，除上述高精度有限元組合模型之外，還需要確定沖擊載荷的數值和施加方式。
2.1沖擊載荷數值
根據現行消防頭盔標準中抗沖擊強度性能測試要求，一般使用1g或幾克的子彈進行高速測試，如假設沖擊作用時間為0.01s，則相應的沖量在幾個單位，沖擊能量為幾百焦耳，作用力為249N;在吸收碰撞性能測試時，最大沖量為30個單位，沖擊能量為幾百焦耳，作用力為3kN;在耐穿透性能測試中，最大沖量為23個單位，沖擊能量為88J，作用力為2.3kN;在側向剛性測試時，使用的側向力最大值為430N，最大持續時間為30s。
對于在地震現場產生的大型滾石、飛石、泥石流，在此不進行分析，而受地震波作用而產生的小型飛石一般速度較低，但質量較大，因此選取質量較大、沖擊速度較低的沖擊載荷，更好的模擬地震現場的小型飛石的真實情形。本文使用1kg、2kg花崗巖分別以5m/s和10m/s的速度進行沖擊，模擬地震現場小型飛石與地震救援頭盔發生的碰撞，相當于花崗巖自1.3m和5m處進行自由落體沖擊。在質量為1kg時，沖量分別為5和10個單位，沖擊能量為12.5J和50J，作用力為500N和1000N;在質量為2kg時，相應的沖量分別為10和20個單位，沖擊能量為25J和100J，作用力為1000N和2000N。
2.2沖擊載荷施加方式
對于人體來說，頭部關鍵位置一般有后腦、前腦、大腦、太陽穴等，對應的骨骼分別是枕骨、頂骨、額骨、顳骨，因此本文選取了頂骨與額骨交界處(頂部)、枕骨(后腦)、顳骨(側部)作為仿真受力點。為了分析不同方向沖擊載荷的破壞情況，采用笛卡爾左手坐標系設計沖擊方向，以撞擊點作為坐標原點，以坐標軸的正向、負向作為0°、90°，以x、y平面坐標軸的中線作為45°，對有限元組合模型的頂部、后腦、側部3個作用位置進行沖擊。特殊地，對于側部即太陽穴位置施加90°沖擊載荷時，基本不會產生影響，故對該位置不進行90°沖擊作用分析。沖擊位置及沖擊角度如圖3所示。
為方便表述，定義沖擊載荷向量包含沖擊角度、沖擊質量、沖擊速度三個向量參數，記為I(θ，m，v)，得到以下12個沖擊向量:(0，1，5)，(0，1，10)，(0，2，5)，(0，2，10)，(45，1，5)，(45，1，10)，(45，2，5)，(45，2，10)，(90，1，5)，(90，1，10)，(90，2，5)，(90，2，10)。頂部、后腦位置進行所有向量沖擊模擬，側部進行前面8個向量沖擊模擬，共計進行32次沖擊模擬。
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3仿真計算結果及分析
3.1仿真計算結果
使用ABAQUS軟件對有限元組合模型進行仿真受力計算，可以得到地震救援頭盔在沖擊向量作用下的應力、應變曲線(圖4)，以及大腦受到的應力情況。為對救援頭盔的防護性能進行分析，提取出仿真受力分析過程中救援頭盔及人體大腦受到的最大應力(圖5)。
3.2大腦最大應力及影響因素分析
根據相關文獻研究，腦組織的最大應力達到5.7kPa時會造成輕微損傷，11kPa時會造成中度腦神經損傷，達到27kPa時會造成非常嚴重而致命的腦神經損傷[26]。圖4、圖5所示的32次沖擊結果中，帶有數字標記①至⑨的9次沖擊會對人體大腦造成輕微損傷，圖5中注明了相應沖擊時救援頭盔、人體大腦受到的最大應力值。由于9個數值都低于11kPa，最大值為8.8kPa，表明對人體大腦造成輕微損傷，人體大腦應力在最大值的應力云圖如圖6所示。
從仿真結果獲得的救援頭盔最大應力和人體大腦最大應力數據，可以得出沖擊向量各組成要素對救援頭盔和人體大腦產生的影響不盡相同。由于對后腦、側部位置的水平0°沖擊可以被視為對相應位置的垂直沖擊，故將后腦、側部位置的水平0°沖擊視為垂直沖擊，其余45°沖擊視為斜沖擊。對9個對人體大腦造成輕微損傷的沖擊向量按組成因素進行統計，可得到不同因素的致損性如表2所示。
由表2可見，垂直沖擊最容易對人體大腦造成損傷，因此沖擊速度在三個組成因素中占據首要地位。同時由圖5可見，在人體大腦受到損傷時，救援頭盔受到的最大應力也相應的處于高水平，因此在救援現場要特別注意防范垂直方向的打擊，以降低可能形成的傷害。
吸收百分比代表地震救援頭盔對沖擊能量吸收的絕對值。需要說明的是，由于救援頭盔最大應力、最大應變的時間不一致性，在公式(2)中使用最大應變，得到的吸收百分比是小于實際結果，即救援頭盔的吸收百分比要高于使用公式計算得到的結果。根據圖7a救援頭盔能夠吸收大部分的沖擊能量，起到很大的防護作用。對于頂部位置，除了斜沖擊即沖擊角度為45°的四個沖擊向量外，其余沖擊下的吸收百分比都超過了70%。對于斜沖擊，可能是因為在發生碰撞時存在一定的反彈，使得沖擊能量轉換為彈性能，從而使得吸收百分比有所降低。后腦位置對不同沖擊向量的吸收百分比都較好，但在圖5大腦受到輕微損傷的9種沖擊情況中，后腦位置有4種且存在兩個最大的應力值8.7kPa和8.8kPa，表明后腦位置的防護性能仍然需要提高。側部位置的吸收百分比較好，并且大腦最大應力數值與其他位置相比也較小。
吸收系數代表地震救援頭盔的單位應變對沖擊能量吸收的能力，吸收系數越大，表明該處位置在發生應變時，對沖擊能量的吸收能力越大。圖7b中三個位置的吸收系數變化范圍很大，不同位置對不同方向的吸收能力都有差別。由于頂部位置斜沖擊吸收百分比較小，所以盡管斜沖擊產生的救援頭盔最大應力較小，但是產生了較大的應變，對應的則是該處吸收系數很低;與之相反的是，頂部位置垂直沖擊的吸收系數很高，表明救援頭盔對高空墜物產生的垂直打擊防護性能很好。
4結論
通過對地震救援頭盔與人體頭部限元組合模型進行仿真受力計算，分析其在不同沖擊向量作用下的應力應變及能量吸收情況。發現地震救援頭盔起到很好的吸收效果，在多數情況下可以吸收超過70%的沖擊能量;沖擊向量的組成因素對人體大腦產生損傷的影響不同，在大腦存在損傷的9種情形中，速度的影響處于首要地位，因此要特別注意防范高速的垂直打擊，避免其產生不利作用。應用吸收百分比和吸收系數進行計算，發現三個位置在不同沖擊情形下的吸能效果變化較大，對來自不同方向的沖擊的防護能力各不相同;對高空墜物產生的垂直打擊防護性能很好，但后腦位置的防護能力還需加強。
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