冲击载荷下地震救援头盔变形和吸能效果研究*

赵兰迎，李伟华，刘文江，胡卫建

(1．山东交通学院 道路安全、应急与减灾技术研究中心，山东 济南 250357；2．中国地震应急搜救中心，北京 100049)

头盔是最主要、最有效的防止头部、大脑受到伤害的装备[1]，不同领域对头盔防护性能的要求侧重不同，但基本原理都是利用头盔壳体、内衬变形吸收载荷能量，降低、避免人体头部、大脑的损伤。针对头盔的防护性能、材料性能、测试方法、测试标准等已经有了大量的研究[2]，但是如何更好地防止大脑受损尚未有统一认识[3]，头盔的外形、规格、壳体及垫层材料都会对头盔的防护性能产生影响[4]。地震救援工作往往开展于建构筑物废墟内部，大量构件悬于空中，坠落时有发生，很小的坠物如果击打到关键位置时就会造成人员死亡[5 - 6]。而由于地震救援工作经常处于狭小空间，救援人员工作时视线易受阻挡，动作难以展开，其危险程度成倍增加，头部受到坠物打击或与突出物发生碰撞的风险巨大,因此救援头盔的防护性能就显得更为重要。

早期研究者大多通过实际测试研究头盔的防护机理。Lissner等通过尸体实验得到了人体头部耐受曲线(WSTC，Wayne State Head Injury Tolerance Curve) , 如图1所示[7]。Gadd等对WSTC曲线引入加权因子，得出加德严重性指标(GSI，Gadd Severity Index )，更符合人体的实际和实验结果[8]。McIntosh A.S.以不同参数对4种头盔模型进行了共计52次跌落、冲击载荷试验，发现头盔可以起到重要保护作用[9]，但Andrew S McIntosh 、Bowman提出头盔防御角加速度冲击的性能仍然需要提高[10-11]，此外使用条件也会对头盔防护性能的发挥产生影响[12]。

图1 人体头部耐受曲线

为了更好的研究头盔的抗冲击性能，特别是角加速度冲击可能造成的影响，有限元技术被研究人员广泛采用。A.Grujicic利用有限元技术分析了聚脲材料垫层在弹道冲击力作用下的受力变形情况[13]。T. Darling 使用GHBMC人体有限元模型发现冲击载荷对胼胝体、中脑、脑干会产生一定影响[14]。Alireza Karimi分析了新型PVA缓冲材料垫层在人体前额受到枪击时的吸能效果，发现PVA可以吸收21%的冲击能量[15]。Long Bin Tan通过实测和有限元仿真发现软的、低密度块状垫层缓冲系统优于网兜缓冲系统[16]。John C. Goetz提出双层缓冲构造厚度可以比单层构造缩减30%，且首层材料承受大部分载荷[17]。Tso-Liang Teng通过实测和仿真分析提出0.6 mm的材料垫层可以基本满足头部防护的需要[18]。

国内对于头盔的抗冲击性能也有一些研究。冯志杰等仿真分析头盔的气动特性[19]。高晓清等使用高速摄像研究了防弹头盔弹击过程[20]。周宏等建立某型军用头盔的“ 盔 - 头 - 颈” 有限元动力学模型,分析了头盔传递到颈部的冲击力、相对位移和头部加速度的变化规律[21]。马皎皎等提出了消防头盔的帽壳、悬挂装置、垫层的设计要点[22]。杨洪泽分析评价了现行森林消防头盔的外形结构、材料、安全、舒适性指标，结合人机工程设计提出了改良措施[23]。

综上所述，作为地震现场救援人员的重要防护装备，针对地震救援头盔的抗冲击性能研究还很少，也没有统一的标准规范，因而现阶段地震救援头盔的防护性能指标未被地震救援人员得知。本文利用CT扫描、逆向反演建模获得地震救援头盔的高精度三维有限元模型，结合其他行业头盔标准及地震现场坠物冲击力的研究，设计冲击测试方案，进行仿真受力计算，总结冲击向量不同组成因素的影响，利用吸收百分比和吸收系数分析地震救援头盔不同位置的变形和吸能效果，对其薄弱位置提出合理建议。

1 有限元模型

1.1 三维几何模型的建立

近年来，高精度扫描技术和计算机技术的发展使得数字建模逐渐成熟。由高精度扫描获取实体的三维模型，借助计算机技术进行逆向工程分析，获取数字模型，方便进行逆向工程、虚拟现实、快速成型等方面的研究。本文由CT扫描图像得到救援头盔的原始切片，通过逆向反演、建模等处理得到三维模型。对MSA F2型救援头盔使用美国GE公司的螺旋CT Light Speed VCT进行层厚为0.625mm的高精度扫描，共获得652张扫描图像，对扫描图像再通过拟合、除噪、封装、细节修补、曲面光滑等操作，得到地震救援头盔几何模型。

1.2 有限元组合模型的建立

由于地震救援头盔属于曲面复杂构造且具有孔洞，针对不同部分的重要程度以及实体结构，网格划分的精细程度并不一致。在受力区域、孔洞等应力集中处为保证研究效果采用高质量的密集网格，在非受力区域、过渡区域等次要部位网格质量可以适当降低，这样可通过降低模型的网格数量缓解计算压力，提高计算速度，又能保证分析、计算结果的正确性。

对地震救援头盔进行网格划分后，将其与人体头部有限元模型组合，得到后续分析所用的有限元组合模型，如图2所示。其中脑组织网格48 565个，节点10 591个；颅骨34 210个，节点9 793个；肌肉部分网格166 831个，节点40 288个；头盔网格59 719个，节点15 594个。

图2 有限元组合模型

本文研究使用的MSA F2型地震救援头盔，重量为580 g(不含护目镜)，其壳体材料为聚碳酸酯，内衬材料为轻质复合材料。壳体材料密度为1.18～1.22 g/cm3,线膨胀率为3.8×10-5cm/℃，热变形温度为135 ℃。使用不同的弹性材料、粘弹性材料模拟颅骨、大脑及其连接部分，参考诸多文献[24-25]，确定有限元组合模型各结构材料参数属性定义见表1。

表1 有限元组合模型材料属性

2 冲击测试方案

为得到地震救援头盔在冲击载荷下的受力情况，除上述高精度有限元组合模型之外，还需要确定冲击载荷的数值和施加方式。

2.1 冲击载荷数值

根据现行消防头盔标准中抗冲击强度性能测试要求，一般使用1 g或几克的子弹进行高速测试，如假设冲击作用时间为0.01 s，则相应的冲量在几个单位，冲击能量为几百焦耳，作用力为249 N；在吸收碰撞性能测试时，最大冲量为30个单位，冲击能量为几百焦耳，作用力为3 kN；在耐穿透性能测试中，最大冲量为23个单位，冲击能量为88 J，作用力为2.3 kN；在侧向刚性测试时，使用的侧向力最大值为430 N，最大持续时间为30 s。

对于在地震现场产生的大型滚石、飞石、泥石流，在此不进行分析，而受地震波作用而产生的小型飞石一般速度较低，但质量较大，因此选取质量较大、冲击速度较低的冲击载荷，更好的模拟地震现场的小型飞石的真实情形。本文使用1 kg、2 kg花岗岩分别以5 m/s和10 m/s的速度进行冲击，模拟地震现场小型飞石与地震救援头盔发生的碰撞，相当于花岗岩自1.3 m和5 m处进行自由落体冲击。在质量为1kg时，冲量分别为5和10个单位，冲击能量为12.5 J和50 J，作用力为500 N和1 000 N；在质量为2 kg时，相应的冲量分别为10和20个单位，冲击能量为25 J和100 J，作用力为1 000 N和2 000 N。

2.2 冲击载荷施加方式

对于人体来说，头部关键位置一般有后脑、前脑、大脑、太阳穴等，对应的骨骼分别是枕骨、顶骨、额骨、颞骨，因此本文选取了顶骨与额骨交界处(顶部)、枕骨(后脑)、颞骨(侧部)作为仿真受力点。为了分析不同方向冲击载荷的破坏情况，采用笛卡尔左手坐标系设计冲击方向，以撞击点作为坐标原点，以坐标轴的正向、负向作为0°、90°，以x、y平面坐标轴的中线作为45°，对有限元组合模型的顶部、后脑、侧部3个作用位置进行冲击。特殊地，对于侧部即太阳穴位置施加90°冲击载荷时，基本不会产生影响，故对该位置不进行90°冲击作用分析。冲击位置及冲击角度如图3所示。

图3 冲击位置及冲击角度示意图

为方便表述，定义冲击载荷向量包含冲击角度、冲击质量、冲击速度三个向量参数，记为I(θ,m,v)，得到以下12个冲击向量：(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)。顶部、后脑位置进行所有向量冲击模拟，侧部进行前面8个向量冲击模拟，共计进行32次冲击模拟。

3 仿真计算结果及分析

3.1 仿真计算结果

使用ABAQUS软件对有限元组合模型进行仿真受力计算，可以得到地震救援头盔在冲击向量作用下的应力、应变曲线(图4)，以及大脑受到的应力情况。为对救援头盔的防护性能进行分析，提取出仿真受力分析过程中救援头盔及人体大脑受到的最大应力(图5)。

图4 地震救援头盔在冲击向量作用下的应力、应变曲线

图5 救援头盔、人体大脑受到的最大应力

3.2 大脑最大应力及影响因素分析

根据相关文献研究，脑组织的最大应力达到5.7 kPa时会造成轻微损伤，11 kPa时会造成中度脑神经损伤，达到27 kPa时会造成非常严重而致命的脑神经损伤[26]。图4、图5所示的32次冲击结果中，带有数字标记①至⑨的9次冲击会对人体大脑造成轻微损伤，图5中注明了相应冲击时救援头盔、人体大脑受到的最大应力值。由于9个数值都低于11 kPa，最大值为8.8 kPa，表明对人体大脑造成轻微损伤，人体大脑应力在最大值的应力云图如图6所示。

从仿真结果获得的救援头盔最大应力和人体大脑最大应力数据，可以得出冲击向量各组成要素对救援头盔和人体大脑产生的影响不尽相同。由于对后脑、侧部位置的水平0°冲击可以被视为对相应位置的垂直冲击，故将后脑、侧部位置的水平0°冲击视为垂直冲击，其余45°冲击视为斜冲击。对9个对人体大脑造成轻微损伤的冲击向量按组成因素进行统计，可得到不同因素的致损性如表2所示。

表2冲击向量组成因素致损性百分比

冲击向量角度质量/kg速度/(m/s)垂直冲击斜冲击12510数量9724518比例/%10077.822.244.455.611.188.9

由表2可见，垂直冲击最容易对人体大脑造成损伤，因此冲击速度在三个组成因素中占据首要地位。同时由图5可见，在人体大脑受到损伤时，救援头盔受到的最大应力也相应的处于高水平，因此在救援现场要特别注意防范垂直方向的打击，以降低可能形成的伤害。

3.3 地震救援头盔应变及能量吸收性能分析

由图4可见，救援头盔的最大应力、最大应变不存在时间上的对应关系，根据救援头盔的结构设计，不同位置的材料厚度、通气孔及加强肋的设置，不同位置的防护性能是不同的，对冲击能量的吸收性也存在差异。为了分析救援头盔的防护吸收性能，引入吸收百分比和吸收系数两个参数，进行计算如下：

(1)

(2)

式中：ηap为救援头盔吸收百分比；Sh为救援头盔最大应力；Sb为人体大脑最大应力；ηac为救援头盔吸收系数；Dh为救援头盔最大应变。

图6 存在轻微脑损伤的人体大脑受力云图

对32次冲击测试的仿真结果按公式(1)、公式(2)进行计算，得到救援头盔的吸收百分比、吸收系数如图7所示。

图7 地震救援头盔应变及吸能分析

吸收百分比代表地震救援头盔对冲击能量吸收的绝对值。需要说明的是，由于救援头盔最大应力、最大应变的时间不一致性，在公式(2)中使用最大应变，得到的吸收百分比是小于实际结果，即救援头盔的吸收百分比要高于使用公式计算得到的结果。根据图7a救援头盔能够吸收大部分的冲击能量，起到很大的防护作用。对于顶部位置，除了斜冲击即冲击角度为45°的四个冲击向量外，其余冲击下的吸收百分比都超过了70%。对于斜冲击，可能是因为在发生碰撞时存在一定的反弹，使得冲击能量转换为弹性能，从而使得吸收百分比有所降低。后脑位置对不同冲击向量的吸收百分比都较好，但在图5大脑受到轻微损伤的9种冲击情况中，后脑位置有4种且存在两个最大的应力值8.7 kPa和8.8 kPa，表明后脑位置的防护性能仍然需要提高。侧部位置的吸收百分比较好，并且大脑最大应力数值与其他位置相比也较小。

吸收系数代表地震救援头盔的单位应变对冲击能量吸收的能力，吸收系数越大，表明该处位置在发生应变时，对冲击能量的吸收能力越大。图7b中三个位置的吸收系数变化范围很大，不同位置对不同方向的吸收能力都有差别。由于顶部位置斜冲击吸收百分比较小，所以尽管斜冲击产生的救援头盔最大应力较小，但是产生了较大的应变，对应的则是该处吸收系数很低；与之相反的是，顶部位置垂直冲击的吸收系数很高，表明救援头盔对高空坠物产生的垂直打击防护性能很好。

4 结论

通过对地震救援头盔与人体头部限元组合模型进行仿真受力计算，分析其在不同冲击向量作用下的应力应变及能量吸收情况。发现地震救援头盔起到很好的吸收效果，在多数情况下可以吸收超过70%的冲击能量；冲击向量的组成因素对人体大脑产生损伤的影响不同，在大脑存在损伤的9种情形中，速度的影响处于首要地位，因此要特别注意防范高速的垂直打击，避免其产生不利作用。应用吸收百分比和吸收系数进行计算，发现三个位置在不同冲击情形下的吸能效果变化较大，对来自不同方向的冲击的防护能力各不相同；对高空坠物产生的垂直打击防护性能很好，但后脑位置的防护能力还需加强。