發(fā)布時(shí)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(duì)伍廣泛使用的MSAF2頭盔為原型，通過(guò)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(nèi)部墜物、磕碰造成的沖擊力，設(shè)計(jì)沖擊測(cè)試方案，對(duì)地震救援頭盔不同位置進(jìn)行仿真受力，對(duì)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(duì)伍廣泛使用的MSAF2頭盔為原型，通過(guò)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(nèi)部墜物、磕碰造成的沖擊力，設(shè)計(jì)沖擊測(cè)試方案，對(duì)地震救援頭盔不同位置進(jìn)行仿真受力，對(duì)沖擊向量不同因素致?lián)p性對(duì)比可見(jiàn)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(guān)鍵詞:地震救援;頭盔;沖擊載荷;應(yīng)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(lǐng)域?qū)︻^盔防護(hù)性能的要求側(cè)重不同，但基本原理都是利用頭盔殼體、內(nèi)襯變形吸收載荷能量，降低、避免人體頭部、大腦的損傷。針對(duì)頭盔的防護(hù)性能、材料性能、測(cè)試方法、測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)等已經(jīng)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(tǒng)一認(rèn)識(shí)[3]，頭盔的外形、規(guī)格、殼體及墊層材料都會(huì)對(duì)頭盔的防護(hù)性能產(chǎn)生影響[4]。地震救援工作往往開(kāi)展于建構(gòu)筑物廢墟內(nèi)部，大量構(gòu)件懸于空中，墜落時(shí)有發(fā)生，很小的墜物如果擊打到關(guān)鍵位置時(shí)就會(huì)造成人員死亡[5-6]。而由于地震救援工作經(jīng)常處于狹小空間，救援人員工作時(shí)視線易受阻擋，動(dòng)作難以展開(kāi)，其危險(xiǎn)程度成倍增加，頭部受到墜物打擊或與突出物發(fā)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn)巨大，因此救援頭盔的防護(hù)性能就顯得更為重要。
早期研究者大多通過(guò)實(shí)際測(cè)試研究頭盔的防護(hù)機(jī)理。Lissner等通過(guò)尸體實(shí)驗(yàn)得到了人體頭部耐受曲線(WSTC，WayneStateHeadInjuryToleranceCurve)，如圖1所示[7]。Gadd等對(duì)WSTC曲線引入加權(quán)因子，得出加德嚴(yán)重性指標(biāo)(GSI，GaddSeverityIndex)，更符合人體的實(shí)際和實(shí)驗(yàn)結(jié)果[8]。McIntoshA.S.以不同參數(shù)對(duì)4種頭盔模型進(jìn)行了共計(jì)52次跌落、沖擊載荷試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)頭盔可以起到重要保護(hù)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(huì)對(duì)頭盔防護(hù)性能的發(fā)揮產(chǎn)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(shù)被研究人員廣泛采用。A.Grujicic利用有限元技術(shù)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(fā)現(xiàn)沖擊載荷對(duì)胼胝體、中腦、腦干會(huì)產(chǎn)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(shí)的吸能效果，發(fā)現(xiàn)PVA可以吸收21%的沖擊能量[15]。LongBinTan通過(guò)實(shí)測(cè)和有限元仿真發(fā)現(xiàn)軟的、低密度塊狀墊層緩沖系統(tǒng)優(yōu)于網(wǎng)兜緩沖系統(tǒng)[16]。JohnC.Goetz提出雙層緩沖構(gòu)造厚度可以比單層構(gòu)造縮減30%，且首層材料承受大部分載荷[17]。Tso-LiangTeng通過(guò)實(shí)測(cè)和仿真分析提出0.6mm的材料墊層可以基本滿足頭部防護(hù)的需要[18]。
國(guó)內(nèi)對(duì)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(dòng)特性[19]。高曉清等使用高速攝像研究了防彈頭盔彈擊過(guò)程[20]。周宏等建立某型軍用頭盔的“盔-頭-頸”有限元?jiǎng)?a href='http://www.tonyclavelli.com/qikan/lixue/' target='_blank'>力學(xué)模型，分析了頭盔傳遞到頸部的沖擊力、相對(duì)位移和頭部加速度的變化規(guī)律[21]。馬皎皎等提出了消防頭盔的帽殼、懸掛裝置、墊層的設(shè)計(jì)要點(diǎn)[22]。楊洪澤分析評(píng)價(jià)了現(xiàn)行森林消防頭盔的外形結(jié)構(gòu)、材料、安全、舒適性指標(biāo)，結(jié)合人機(jī)工程設(shè)計(jì)提出了改良措施[23]。
綜上所述，作為地震現(xiàn)場(chǎng)救援人員的重要防護(hù)裝備，針對(duì)地震救援頭盔的抗沖擊性能研究還很少，也沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，因而現(xiàn)階段地震救援頭盔的防護(hù)性能指標(biāo)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(jié)合其他行業(yè)頭盔標(biāo)準(zhǔn)及地震現(xiàn)場(chǎng)墜物沖擊力的研究，設(shè)計(jì)沖擊測(cè)試方案，進(jìn)行仿真受力計(jì)算，總結(jié)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(shù)分析地震救援頭盔不同位置的變形和吸能效果，對(duì)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(lái)，高精度掃描技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展使得數(shù)字建模逐漸成熟。由高精度掃描獲取實(shí)體的三維模型，借助計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行逆向工程分析，獲取數(shù)字模型，方便進(jìn)行逆向工程、虛擬現(xiàn)實(shí)、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(guò)逆向反演、建模等處理得到三維模型。對(duì)MSAF2型救援頭盔使用美國(guó)GE公司的螺旋CTLightSpeedVCT進(jìn)行層厚為0.625mm的高精度掃描，共獲得652張掃描圖像，對(duì)掃描圖像再通過(guò)擬合、除噪、封裝、細(xì)節(jié)修補(bǔ)、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(fù)雜構(gòu)造且具有孔洞，針對(duì)不同部分的重要程度以及實(shí)體結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格劃分的精細(xì)程度并不一致。在受力區(qū)域、孔洞等應(yīng)力集中處為保證研究效果采用高質(zhì)量的密集網(wǎng)格，在非受力區(qū)域、過(guò)渡區(qū)域等次要部位網(wǎng)格質(zhì)量可以適當(dāng)降低，這樣可通過(guò)降低模型的網(wǎng)格數(shù)量緩解計(jì)算壓力，提高計(jì)算速度，又能保證分析、計(jì)算結(jié)果的正確性。
對(duì)地震救援頭盔進(jìn)行網(wǎng)格劃分后，將其與人體頭部有限元模型組合，得到后續(xù)分析所用的有限元組合模型，如圖2所示。其中腦組織網(wǎng)格48565個(gè)，節(jié)點(diǎn)10591個(gè);顱骨34210個(gè)，節(jié)點(diǎn)9793個(gè);肌肉部分網(wǎng)格166831個(gè)，節(jié)點(diǎn)40288個(gè);頭盔網(wǎng)格59719個(gè)，節(jié)點(diǎn)15594個(gè)。
本文研究使用的MSAF2型地震救援頭盔，重量為580g(不含護(hù)目鏡)，其殼體材料為聚碳酸酯，內(nèi)襯材料為輕質(zhì)復(fù)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(xiàn)[24-25]，確定有限元組合模型各結(jié)構(gòu)材料參數(shù)屬性定義見(jiàn)表1。
2沖擊測(cè)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(shù)值和施加方式。
2.1沖擊載荷數(shù)值
根據(jù)現(xiàn)行消防頭盔標(biāo)準(zhǔn)中抗沖擊強(qiáng)度性能測(cè)試要求，一般使用1g或幾克的子彈進(jìn)行高速測(cè)試，如假設(shè)沖擊作用時(shí)間為0.01s，則相應(yīng)的沖量在幾個(gè)單位，沖擊能量為幾百焦耳，作用力為249N;在吸收碰撞性能測(cè)試時(shí)，最大沖量為30個(gè)單位，沖擊能量為幾百焦耳，作用力為3kN;在耐穿透性能測(cè)試中，最大沖量為23個(gè)單位，沖擊能量為88J，作用力為2.3kN;在側(cè)向剛性測(cè)試時(shí)，使用的側(cè)向力最大值為430N，最大持續(xù)時(shí)間為30s。
對(duì)于在地震現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的大型滾石、飛石、泥石流，在此不進(jìn)行分析，而受地震波作用而產(chǎn)生的小型飛石一般速度較低，但質(zhì)量較大，因此選取質(zhì)量較大、沖擊速度較低的沖擊載荷，更好的模擬地震現(xiàn)場(chǎng)的小型飛石的真實(shí)情形。本文使用1kg、2kg花崗巖分別以5m/s和10m/s的速度進(jìn)行沖擊，模擬地震現(xiàn)場(chǎng)小型飛石與地震救援頭盔發(fā)生的碰撞，相當(dāng)于花崗巖自1.3m和5m處進(jìn)行自由落體沖擊。在質(zhì)量為1kg時(shí)，沖量分別為5和10個(gè)單位，沖擊能量為12.5J和50J，作用力為500N和1000N;在質(zhì)量為2kg時(shí)，相應(yīng)的沖量分別為10和20個(gè)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(duì)于人體來(lái)說(shuō)，頭部關(guān)鍵位置一般有后腦、前腦、大腦、太陽(yáng)穴等，對(duì)應(yīng)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(cè)部)作為仿真受力點(diǎn)。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(biāo)系設(shè)計(jì)沖擊方向，以撞擊點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，以坐標(biāo)軸的正向、負(fù)向作為0°、90°，以x、y平面坐標(biāo)軸的中線作為45°，對(duì)有限元組合模型的頂部、后腦、側(cè)部3個(gè)作用位置進(jìn)行沖擊。特殊地，對(duì)于側(cè)部即太陽(yáng)穴位置施加90°沖擊載荷時(shí)，基本不會(huì)產(chǎn)生影響，故對(duì)該位置不進(jìn)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(zhì)量、沖擊速度三個(gè)向量參數(shù)，記為I(θ，m，v)，得到以下12個(gè)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(jìn)行所有向量沖擊模擬，側(cè)部進(jìn)行前面8個(gè)向量沖擊模擬，共計(jì)進(jìn)行32次沖擊模擬。
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3仿真計(jì)算結(jié)果及分析
3.1仿真計(jì)算結(jié)果
使用ABAQUS軟件對(duì)有限元組合模型進(jìn)行仿真受力計(jì)算，可以得到地震救援頭盔在沖擊向量作用下的應(yīng)力、應(yīng)變曲線(圖4)，以及大腦受到的應(yīng)力情況。為對(duì)救援頭盔的防護(hù)性能進(jìn)行分析，提取出仿真受力分析過(guò)程中救援頭盔及人體大腦受到的最大應(yīng)力(圖5)。
3.2大腦最大應(yīng)力及影響因素分析
根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)研究，腦組織的最大應(yīng)力達(dá)到5.7kPa時(shí)會(huì)造成輕微損傷，11kPa時(shí)會(huì)造成中度腦神經(jīng)損傷，達(dá)到27kPa時(shí)會(huì)造成非常嚴(yán)重而致命的腦神經(jīng)損傷[26]。圖4、圖5所示的32次沖擊結(jié)果中，帶有數(shù)字標(biāo)記①至⑨的9次沖擊會(huì)對(duì)人體大腦造成輕微損傷，圖5中注明了相應(yīng)沖擊時(shí)救援頭盔、人體大腦受到的最大應(yīng)力值。由于9個(gè)數(shù)值都低于11kPa，最大值為8.8kPa，表明對(duì)人體大腦造成輕微損傷，人體大腦應(yīng)力在最大值的應(yīng)力云圖如圖6所示。
從仿真結(jié)果獲得的救援頭盔最大應(yīng)力和人體大腦最大應(yīng)力數(shù)據(jù)，可以得出沖擊向量各組成要素對(duì)救援頭盔和人體大腦產(chǎn)生的影響不盡相同。由于對(duì)后腦、側(cè)部位置的水平0°沖擊可以被視為對(duì)相應(yīng)位置的垂直沖擊，故將后腦、側(cè)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(duì)9個(gè)對(duì)人體大腦造成輕微損傷的沖擊向量按組成因素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可得到不同因素的致?lián)p性如表2所示。
由表2可見(jiàn)，垂直沖擊最容易對(duì)人體大腦造成損傷，因此沖擊速度在三個(gè)組成因素中占據(jù)首要地位。同時(shí)由圖5可見(jiàn)，在人體大腦受到損傷時(shí)，救援頭盔受到的最大應(yīng)力也相應(yīng)的處于高水平，因此在救援現(xiàn)場(chǎng)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(duì)沖擊能量吸收的絕對(duì)值。需要說(shuō)明的是，由于救援頭盔最大應(yīng)力、最大應(yīng)變的時(shí)間不一致性，在公式(2)中使用最大應(yīng)變，得到的吸收百分比是小于實(shí)際結(jié)果，即救援頭盔的吸收百分比要高于使用公式計(jì)算得到的結(jié)果。根據(jù)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(hù)作用。對(duì)于頂部位置，除了斜沖擊即沖擊角度為45°的四個(gè)沖擊向量外，其余沖擊下的吸收百分比都超過(guò)了70%。對(duì)于斜沖擊，可能是因?yàn)樵诎l(fā)生碰撞時(shí)存在一定的反彈，使得沖擊能量轉(zhuǎn)換為彈性能，從而使得吸收百分比有所降低。后腦位置對(duì)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(gè)最大的應(yīng)力值8.7kPa和8.8kPa，表明后腦位置的防護(hù)性能仍然需要提高。側(cè)部位置的吸收百分比較好，并且大腦最大應(yīng)力數(shù)值與其他位置相比也較小。
吸收系數(shù)代表地震救援頭盔的單位應(yīng)變對(duì)沖擊能量吸收的能力，吸收系數(shù)越大，表明該處位置在發(fā)生應(yīng)變時(shí)，對(duì)沖擊能量的吸收能力越大。圖7b中三個(gè)位置的吸收系數(shù)變化范圍很大，不同位置對(duì)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(chǎn)生的救援頭盔最大應(yīng)力較小，但是產(chǎn)生了較大的應(yīng)變，對(duì)應(yīng)的則是該處吸收系數(shù)很低;與之相反的是，頂部位置垂直沖擊的吸收系數(shù)很高，表明救援頭盔對(duì)高空墜物產(chǎn)生的垂直打擊防護(hù)性能很好。
4結(jié)論
通過(guò)對(duì)地震救援頭盔與人體頭部限元組合模型進(jìn)行仿真受力計(jì)算，分析其在不同沖擊向量作用下的應(yīng)力應(yīng)變及能量吸收情況。發(fā)現(xiàn)地震救援頭盔起到很好的吸收效果，在多數(shù)情況下可以吸收超過(guò)70%的沖擊能量;沖擊向量的組成因素對(duì)人體大腦產(chǎn)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(chǎn)生不利作用。應(yīng)用吸收百分比和吸收系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)三個(gè)位置在不同沖擊情形下的吸能效果變化較大，對(duì)來(lái)自不同方向的沖擊的防護(hù)能力各不相同;對(duì)高空墜物產(chǎn)生的垂直打擊防護(hù)性能很好，但后腦位置的防護(hù)能力還需加強(qiáng)。
