自然界中的梯度材料及其仿生研究

功能梯度仿生头盔防护性能与头部损伤分析作者：肖志张云飞庞通李顺峰刘国斌王方来源：《湖南大学学报·自然科学版》2021年第10期摘要：為了提高摩托车头盔防护性能降低头部损伤风险，本文引入功能梯度仿生泡沫结构替代传统头盔的均匀密度泡沫衬垫. 通过头盔耦合生物力学头部有限元模型，获取撞击过程中头部质心加速度、生物力学响应和头盔结构响应，综合分析不同密度梯度方案对头盔防护能力的影响. 结果表明，功能梯度泡沫结构在中高速冲击下有更明显的优势. 相比传统头盔吸能缓冲层的均匀泡沫密度方案和新型头盔的正/负密度梯度方案，最大密度为80 kg/m3的负密度梯度泡沫设计方案可以更有效改善头盔结构碰撞响应并降低碰撞过程中头部损伤，且随着密度差的增大，负密度梯度头盔的防护性能得到了进一步提高.关键词：功能梯度泡沫;仿生头盔;头部损伤;有限元模型;碰撞中图分类号：U467.14 文献标志码：AAnalysis on Head Injury and Protective Performanceof Functionally Graded Bionic HelmetXIAO Zhi ZHANG Yunfei PANG Tong LI Shunfeng LIU Guobin WANG Fang（1. State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body，Hunan University，Changsha 410082，China;2. Dep of Mechanical，Aerospace and Civil Engineering，University of Manchester，Manchester M13 9PL，UK;3. The Sixth Research Institute of China Aerospace Science and Industry Corporation，Hohhot，010010，China;4. College of Automotive and Mechanical Engineering，Changsha University of Science & Technology，Changsha 410082，China）Abstract：Functionally graded foam is introduced in this paper to replace the uniform-density energy-absorbing liner of a conventional motorcycle helmet for improving its protection performance and further reducing head injuries during impact scenarios. The helmet finite element model coupled with biomechanical head model was developed，the acceleration transmitted to the gravity center of head，biomechanical responses of the head and crushing behaviors of the helmet under the impacts are obtained to comprehensively investigate the effects of functionally graded foam on helmet impact protection. According to the results，functionally graded foam has more advantages undermedium/high speed impact than uniform liner foam. In comparison with the uniform-density design for the conventional helmet liner and the positive/negative functionally graded foam design for the novel helmet liner，the negative functionally graded foam with a maximum density of 80 kg/m3 is of the best crushing responses and the severities of head injuries can be reduced more effectively. With the increase of density difference，the impact protection of novel helmet with negative functionally graded foam design can be further improved.Key words：functionally graded foam;bionic helmet;head injury;finite element model;impact2020年，“一盔一带”安全守护行动的开展对摩托车头盔防护性能提出了更高的要求. 在摩托车碰撞事故中，头部损伤是驾乘人员重伤甚至死亡的主要原因，而佩戴头盔可以有效降低头部损伤程度. 在实际碰撞中，头盔主要作用是耗散冲击过程中的碰撞能量，吸收碰撞过程中头部动能，缓冲碰撞过程.吸能缓冲层作为摩托车头盔最主要的吸能结构，通过碰撞过程中泡沫的塑性变形吸收大部分碰撞能量. 近年来，为进一步提高吸能缓冲层的能量耗散水平，一批诸如蜂窝结构[1]、波纹形多孔结构[2]和桁架结构[3]等多种吸能结构被引入头盔结构设计中，并在一定程度上提高了头盔的防护能力.功能梯度泡沫作为一种轻质高效的吸能结构，首先在生物材料中被观察到，随后引入到耐撞性结构研究和马术头盔中. Fischer等人[4]和Fleck等人[5]观察了柚子皮的微观结构，发现了明显的梯度分布现象，并通过柚子自由落体实验验证了柚子皮良好的抗冲击能力. 随后，Cui 等人[6]探究了EPS（Expanded Polystyrene）泡沫梯度布置方案在低速冲击下的吸能特性，在此基础上，将其引入到马术头盔，通过分析头盔碰撞响应和头部加速度响应，探究了功能梯度结构对马术头盔防护能力的影响[7]. 但截至目前，功能梯度泡沫在摩托车头盔中的应用及头部生物力学响应并没有得到很好的研究.为进一步提高头盔的防护吸能，并填补功能梯度头盔碰撞响应与头部损伤生物力学响应耦合分析的研究空白，本研究首先建立了摩托车头盔有限元模型，并通过标准试验验证头盔模型;基于泡沫材料相关理论，获得一系列不同密度EPS泡沫本构模型，并将其应用到功能梯度头盔模型中;最后，通过头盔耦合生物力学头部模型，探究了功能梯度结构在不同冲击速度下的防护性能，在此基础上研究了7.5 m/s冲击速度下不同梯度方案的头部加速度响应、生物力学响应和头盔结构碰撞响应，综合评价功能梯度泡沫结构对头盔防护能力的影响.1 有限元模型本节介绍了所用的两种头部有限元模型，建立并验证了摩托车头盔有限元模型，利用相关理论获取了所需的EPS泡沫材料本构模型.1.1 头部模型本文采用由LSTC公司（Livermore Software Technology Corporation）开发的Hybrid Ⅲ刚性头部模型输出头部质心的加速度曲线来和实验对标[8]，同时采用由日本丰田汽车研究院开发的THUMS（Total Human Model for Safety）生物力学头部模型输出头部生物力学响应和质心加速度分析头部损伤[9]. 其中THUMS头部模型包括人体脑部、颅骨、脑膜、脑脊液及面部等组织，能够很好地模拟碰撞工况下的头部生物力学响应.1.2 头盔模型摩托车头盔主要由硬质外壳、吸能缓冲层、舒适衬垫、系带和护目镜组成，其中，头盔的防护吸能特性主要是由硬质外壳和吸能缓冲层决定，绝大多数摩托车头盔外壳和吸能缓冲层分别由ABS（Acrylonitrile Butadiene Styrene）塑料和EPS泡沫制成.如圖1所示，选取AGV-K3摩托车头盔通过GOM三维扫描仪扫描得到相应的Stl （Stereolithography）模型，再经过Geomagic软件逆向重构得到头盔几何模型，随后在Hyperworks软件中完成模型的前后处理，最后选用LS-DYNA971 R4.2求解器进行模型计算.本文中仅对头盔主要部件（即：ABS外壳、EPS泡沫吸能缓冲层、系带）进行建模，忽略对缓冲吸能影响很小的其余部件. 头盔外壳厚度为4 mm，选用LS-DYNA中*MAT_3塑性随动硬化材料模型和3.5 mm全积分四边形壳单元网格进行仿真. 吸能缓冲层厚度范围为6 mm - 45 mm，选用*MAT_63压缩泡沫材料模型进行模拟，本构曲线在下节1.3中推导得出. 在撞击区域选择4 mm全积分六面体网格平均划分泡沫厚度，每层网格定义为一个部件，定义从最外层到最内层分别为第1层至第8层，各层之间采用共节点连接，对每一层赋予不同的材料本构参数，层内密度均匀，但在厚度方向上实现密度梯度变化，衬垫的其他区域选择单点积分四面体网格. 系带总长度为200 mm，选用*MAT_1弹性材料模型和4 mm四边形网格进行模拟. 外壳与吸能缓冲层之间采用Tied_node_to_surface接触;吸能缓冲层与头部模型之间，外壳与刚性平砧之间均采用Automatic_surface_to_surface接触. 头盔模型中各部分具体的材料参数如表1所示.所建立的头盔有限元模型如图2所示.1.3 EPS泡沫材料应力-应变曲线本文利用Schraad和Harlow[11]提出的随机多孔材料理论推导出一系列泡沫压缩应力-应变曲线，并将这些曲线应用到头盔模型吸能缓冲层中.1.4 模型验证根据摩托车头盔法规GB 24429-2009[13]和ECE R22.05[14]，选取头盔B点位置进行跌落碰撞实验，B点所在位置如图5所示. 该实验在头盔性能测试试验机中完成，如图6所示. 在实验中头盔和M号刚性金属头型固定在一起，将头盔拉升至距离刚性平砧2.9 m高度处释放，使其自由下落产生7.5 m/s的撞击速度，实验重复三次，实验数据通过内置于刚性头型质心位置的加速度传感器测得. 如图7所示，头盔跌落实验结果和对应仿真（图2（a））的加速度-时间曲线显示了良好的一致性，头盔模型的准确性得到验证.2 功能梯度头盔梯度参数选择如图8所示，基于柚子皮组织梯度分布现象，本文设计了13种密度梯度方案探究仿生梯度EPS泡沫结构对头盔防护能力的影响. 各种梯度方案如表2所示，其命名方法如下：Ave80和Max80分别表示泡沫衬垫平均密度和最大密度为80 kg/m3;Δρ20和Δρ-20分别表示衬垫最外层（第1层）与最内层（第8层）泡沫密度之差为20 kg/m3和-20 kg/m3. 例如，Ave80_Δρ20代表平均密度为80 kg/m3且最外层与最内层泡沫密度差为20 kg/m3的正密度梯度方案.吸能缓冲层作为摩托车头盔最主要的吸能结构，通过碰撞过程中泡沫的塑性变形吸收大部分碰撞能量. 近年来，为进一步提高吸能缓冲层的能量耗散水平，一批诸如蜂窝结构[1]、波纹形多孔结构[2]和桁架结构[3]等多种吸能结构被引入头盔结构设计中，并在一定程度上提高了头盔的防护能力.功能梯度泡沫作为一种轻质高效的吸能结构，首先在生物材料中被观察到，随后引入到耐撞性结构研究和马术头盔中. Fischer等人[4]和Fleck等人[5]观察了柚子皮的微观结构，发现了明显的梯度分布现象，并通过柚子自由落体实验验证了柚子皮良好的抗冲击能力. 随后，Cui 等人[6]探究了EPS（Expanded Polystyrene）泡沫梯度布置方案在低速冲击下的吸能特性，在此基础上，将其引入到马术头盔，通过分析头盔碰撞响应和头部加速度响应，探究了功能梯度结构对马术头盔防护能力的影响[7]. 但截至目前，功能梯度泡沫在摩托车头盔中的应用及头部生物力学响应并没有得到很好的研究.为进一步提高头盔的防护吸能，并填补功能梯度头盔碰撞响应与头部损伤生物力学响应耦合分析的研究空白，本研究首先建立了摩托车头盔有限元模型，并通过标准试验验证头盔模型;基于泡沫材料相关理论，获得一系列不同密度EPS泡沫本构模型，并将其应用到功能梯度头盔模型中;最后，通过头盔耦合生物力学头部模型，探究了功能梯度结构在不同冲击速度下的防护性能，在此基础上研究了7.5 m/s冲击速度下不同梯度方案的头部加速度响应、生物力学响应和头盔结构碰撞响应，综合评价功能梯度泡沫结构对头盔防护能力的影响.1 有限元模型本节介绍了所用的两种头部有限元模型，建立并验证了摩托车头盔有限元模型，利用相关理论获取了所需的EPS泡沫材料本构模型.1.1 头部模型本文采用由LSTC公司（Livermore Software Technology Corporation）开发的Hybrid Ⅲ刚性头部模型输出头部质心的加速度曲线来和实验对标[8]，同时采用由日本丰田汽车研究院开发的THUMS（Total Human Model for Safety）生物力学头部模型输出头部生物力学响应和质心加速度分析头部损伤[9]. 其中THUMS头部模型包括人体脑部、颅骨、脑膜、脑脊液及面部等组织，能够很好地模拟碰撞工况下的头部生物力学响应.1.2 头盔模型摩托车头盔主要由硬质外壳、吸能缓冲层、舒适衬垫、系带和护目镜组成，其中，头盔的防护吸能特性主要是由硬质外壳和吸能缓冲层决定，绝大多数摩托车头盔外壳和吸能缓冲层分别由ABS（Acrylonitrile Butadiene Styrene）塑料和EPS泡沫制成.如图1所示，选取AGV-K3摩托车头盔通过GOM三维扫描仪扫描得到相应的Stl （Stereolithography）模型，再经过Geomagic软件逆向重构得到头盔几何模型，随后在Hyperworks软件中完成模型的前后处理，最后选用LS-DYNA971 R4.2求解器进行模型计算.本文中仅对头盔主要部件（即：ABS外壳、EPS泡沫吸能缓冲层、系带）进行建模，忽略对缓冲吸能影响很小的其余部件. 头盔外壳厚度为4 mm，选用LS-DYNA中*MAT_3塑性随动硬化材料模型和3.5 mm全积分四边形壳单元网格进行仿真. 吸能缓冲层厚度范围为6 mm - 45 mm，选用*MAT_63压缩泡沫材料模型进行模拟，本构曲线在下节1.3中推导得出. 在撞击区域选择4 mm全积分六面体网格平均划分泡沫厚度，每层网格定义为一个部件，定义从最外层到最内层分别为第1层至第8层，各层之间采用共节点连接，对每一层赋予不同的材料本构参数，层内密度均匀，但在厚度方向上实现密度梯度变化，衬垫的其他区域选择单点积分四面体网格. 系带总长度为200 mm，选用*MAT_1弹性材料模型和4 mm四边形网格进行模拟. 外壳与吸能缓冲层之间采用Tied_node_to_surface接触;吸能缓冲层与头部模型之间，外壳与刚性平砧之间均采用Automatic_surface_to_surface接触. 头盔模型中各部分具体的材料参数如表1所示.所建立的头盔有限元模型如图2所示.1.3 EPS泡沫材料应力-应变曲线本文利用Schraad和Harlow[11]提出的随机多孔材料理论推导出一系列泡沫压缩应力-应变曲线，并将这些曲线应用到头盔模型吸能缓冲层中.1.4 模型验证根据摩托车头盔法规GB 24429-2009[13]和ECE R22.05[14]，选取头盔B点位置进行跌落碰撞实验，B点所在位置如图5所示. 该实验在头盔性能测试试验机中完成，如图6所示. 在实验中头盔和M号刚性金属头型固定在一起，将头盔拉升至距离刚性平砧2.9 m高度处释放，使其自由下落产生7.5 m/s的撞击速度，实验重复三次，实验数据通过内置于刚性头型质心位置的加速度传感器测得. 如图7所示，头盔跌落实验结果和对应仿真（图2（a））的加速度-时间曲线显示了良好的一致性，头盔模型的准确性得到验证.2 功能梯度头盔梯度参数选择如图8所示，基于柚子皮组织梯度分布现象，本文设计了13种密度梯度方案探究仿生梯度EPS泡沫结构对头盔防护能力的影响. 各种梯度方案如表2所示，其命名方法如下：Ave80和Max80分別表示泡沫衬垫平均密度和最大密度为80 kg/m3;Δρ20和Δρ-20分别表示衬垫最外层（第1层）与最内层（第8层）泡沫密度之差为20 kg/m3和-20 kg/m3. 例如，Ave80_Δρ20代表平均密度为80 kg/m3且最外层与最内层泡沫密度差为20 kg/m3的正密度梯度方案.吸能缓冲层作为摩托车头盔最主要的吸能结构，通过碰撞过程中泡沫的塑性变形吸收大部分碰撞能量. 近年来，为进一步提高吸能缓冲层的能量耗散水平，一批诸如蜂窝结构[1]、波纹形多孔结构[2]和桁架结构[3]等多种吸能结构被引入头盔结构设计中，并在一定程度上提高了头盔的防护能力.功能梯度泡沫作为一种轻质高效的吸能结构，首先在生物材料中被观察到，随后引入到耐撞性结构研究和马术头盔中. Fischer等人[4]和Fleck等人[5]观察了柚子皮的微观结构，发现了明显的梯度分布现象，并通过柚子自由落体实验验证了柚子皮良好的抗冲击能力. 随后，Cui 等人[6]探究了EPS（Expanded Polystyrene）泡沫梯度布置方案在低速冲击下的吸能特性，在此基础上，将其引入到马术头盔，通过分析头盔碰撞响应和头部加速度响应，探究了功能梯度结构对马术头盔防护能力的影响[7]. 但截至目前，功能梯度泡沫在摩托车头盔中的应用及头部生物力学响应并没有得到很好的研究.為进一步提高头盔的防护吸能，并填补功能梯度头盔碰撞响应与头部损伤生物力学响应耦合分析的研究空白，本研究首先建立了摩托车头盔有限元模型，并通过标准试验验证头盔模型;基于泡沫材料相关理论，获得一系列不同密度EPS泡沫本构模型，并将其应用到功能梯度头盔模型中;最后，通过头盔耦合生物力学头部模型，探究了功能梯度结构在不同冲击速度下的防护性能，在此基础上研究了7.5 m/s冲击速度下不同梯度方案的头部加速度响应、生物力学响应和头盔结构碰撞响应，综合评价功能梯度泡沫结构对头盔防护能力的影响.1 有限元模型本节介绍了所用的两种头部有限元模型，建立并验证了摩托车头盔有限元模型，利用相关理论获取了所需的EPS泡沫材料本构模型.1.1 头部模型本文采用由LSTC公司（Livermore Software Technology Corporation）开发的Hybrid Ⅲ刚性头部模型输出头部质心的加速度曲线来和实验对标[8]，同时采用由日本丰田汽车研究院开发的THUMS（Total Human Model for Safety）生物力学头部模型输出头部生物力学响应和质心加速度分析头部损伤[9]. 其中THUMS头部模型包括人体脑部、颅骨、脑膜、脑脊液及面部等组织，能够很好地模拟碰撞工况下的头部生物力学响应.1.2 头盔模型摩托车头盔主要由硬质外壳、吸能缓冲层、舒适衬垫、系带和护目镜组成，其中，头盔的防护吸能特性主要是由硬质外壳和吸能缓冲层决定，绝大多数摩托车头盔外壳和吸能缓冲层分别由ABS（Acrylonitrile Butadiene Styrene）塑料和EPS泡沫制成.如图1所示，选取AGV-K3摩托车头盔通过GOM三维扫描仪扫描得到相应的Stl （Stereolithography）模型，再经过Geomagic软件逆向重构得到头盔几何模型，随后在Hyperworks软件中完成模型的前后处理，最后选用LS-DYNA971 R4.2求解器进行模型计算.本文中仅对头盔主要部件（即：ABS外壳、EPS泡沫吸能缓冲层、系带）进行建模，忽略对缓冲吸能影响很小的其余部件. 头盔外壳厚度为4 mm，选用LS-DYNA中*MAT_3塑性随动硬化材料模型和3.5 mm全积分四边形壳单元网格进行仿真. 吸能缓冲层厚度范围为6 mm - 45 mm，选用*MAT_63压缩泡沫材料模型进行模拟，本构曲线在下节1.3中推导得出. 在撞击区域选择4 mm全积分六面体网格平均划分泡沫厚度，每层网格定义为一个部件，定义从最外层到最内层分别为第1层至第8层，各层之间采用共节点连接，对每一层赋予不同的材料本构参数，层内密度均匀，但在厚度方向上实现密度梯度变化，衬垫的其他区域选择单点积分四面体网格. 系带总长度为200 mm，选用*MAT_1弹性材料模型和4 mm四边形网格进行模拟. 外壳与吸能缓冲层之间采用Tied_node_to_surface接触;吸能缓冲层与头部模型之间，外壳与刚性平砧之间均采用Automatic_surface_to_surface接触. 头盔模型中各部分具体的材料参数如表1所示.所建立的头盔有限元模型如图2所示.1.3 EPS泡沫材料应力-应变曲线本文利用Schraad和Harlow[11]提出的随机多孔材料理论推导出一系列泡沫压缩应力-应变曲线，并将这些曲线应用到头盔模型吸能缓冲层中.1.4 模型验证根据摩托车头盔法规GB 24429-2009[13]和ECE R22.05[14]，选取头盔B点位置进行跌落碰撞实验，B点所在位置如图5所示. 该实验在头盔性能测试试验机中完成，如图6所示. 在实验中头盔和M号刚性金属头型固定在一起，将头盔拉升至距离刚性平砧2.9 m高度处释放，使其自由下落产生7.5 m/s的撞击速度，实验重复三次，实验数据通过内置于刚性头型质心位置的加速度传感器测得. 如图7所示，头盔跌落实验结果和对应仿真（图2（a））的加速度-时间曲线显示了良好的一致性，头盔模型的准确性得到验证.2 功能梯度头盔梯度参数选择如图8所示，基于柚子皮组织梯度分布现象，本文设计了13种密度梯度方案探究仿生梯度EPS泡沫结构对头盔防护能力的影响. 各种梯度方案如表2所示，其命名方法如下：Ave80和Max80分别表示泡沫衬垫平均密度和最大密度为80 kg/m3;Δρ20和Δρ-20分别表示衬垫最外层（第1层）与最内层（第8层）泡沫密度之差为20 kg/m3和-20 kg/m3. 例如，Ave80_Δρ20代表平均密度为80 kg/m3且最外层与最内层泡沫密度差为20 kg/m3的正密度梯度方案.吸能缓冲层作为摩托车头盔最主要的吸能结构，通过碰撞过程中泡沫的塑性变形吸收大部分碰撞能量. 近年来，为进一步提高吸能缓冲层的能量耗散水平，一批诸如蜂窝结构[1]、波纹形多孔结构[2]和桁架结构[3]等多种吸能结构被引入头盔结构设计中，并在一定程度上提高了头盔的防护能力.功能梯度泡沫作为一种轻质高效的吸能结构，首先在生物材料中被观察到，随后引入到耐撞性结构研究和马术头盔中. Fischer等人[4]和Fleck等人[5]观察了柚子皮的微观结构，发现了明显的梯度分布现象，并通过柚子自由落体实验验证了柚子皮良好的抗冲击能力. 随后，Cui 等人[6]探究了EPS（Expanded Polystyrene）泡沫梯度布置方案在低速冲击下的吸能特性，在此基础上，将其引入到马术头盔，通过分析头盔碰撞响应和头部加速度响应，探究了功能梯度结构对马术头盔防护能力的影响[7]. 但截至目前，功能梯度泡沫在摩托车头盔中的应用及头部生物力学响应并没有得到很好的研究.为进一步提高头盔的防护吸能，并填补功能梯度头盔碰撞响应与头部损伤生物力学响应耦合分析的研究空白，本研究首先建立了摩托车头盔有限元模型，并通过标准试验验证头盔模型;基于泡沫材料相关理论，获得一系列不同密度EPS泡沫本构模型，并将其应用到功能梯度头盔模型中;最后，通过头盔耦合生物力学头部模型，探究了功能梯度结构在不同冲击速度下的防护性能，在此基础上研究了7.5 m/s冲击速度下不同梯度方案的头部加速度响应、生物力学响应和头盔结构碰撞响应，综合评价功能梯度泡沫结构对头盔防护能力的影响.1 有限元模型本节介绍了所用的两种头部有限元模型，建立并验证了摩托车头盔有限元模型，利用相关理论获取了所需的EPS泡沫材料本构模型.1.1 頭部模型本文采用由LSTC公司（Livermore Software Technology Corporation）开发的Hybrid Ⅲ刚性头部模型输出头部质心的加速度曲线来和实验对标[8]，同时采用由日本丰田汽车研究院开发的THUMS（Total Human Model for Safety）生物力学头部模型输出头部生物力学响应和质心加速度分析头部损伤[9]. 其中THUMS头部模型包括人体脑部、颅骨、脑膜、脑脊液及面部等组织，能够很好地模拟碰撞工况下的头部生物力学响应.1.2 头盔模型摩托车头盔主要由硬质外壳、吸能缓冲层、舒适衬垫、系带和护目镜组成，其中，头盔的防护吸能特性主要是由硬质外壳和吸能缓冲层决定，绝大多数摩托车头盔外壳和吸能缓冲层分别由ABS（Acrylonitrile Butadiene Styrene）塑料和EPS泡沫制成.如图1所示，选取AGV-K3摩托车头盔通过GOM三维扫描仪扫描得到相应的Stl （Stereolithography）模型，再经过Geomagic软件逆向重构得到头盔几何模型，随后在Hyperworks软件中完成模型的前后处理，最后选用LS-DYNA971 R4.2求解器进行模型计算.本文中仅对头盔主要部件（即：ABS外壳、EPS泡沫吸能缓冲层、系带）进行建模，忽略对缓冲吸能影响很小的其余部件. 头盔外壳厚度为4 mm，选用LS-DYNA中*MAT_3塑性随动硬化材料模型和3.5 mm全积分四边形壳单元网格进行仿真. 吸能缓冲层厚度范围为6 mm - 45 mm，选用*MAT_63压缩泡沫材料模型进行模拟，本构曲线在下节1.3中推导得出. 在撞击区域选择4 mm全积分六面体网格平均划分泡沫厚度，每层网格定义为一个部件，定义从最外层到最内层分别为第1层至第8层，各层之间采用共节点连接，对每一层赋予不同的材料本构参数，层内密度均匀，但在厚度方向上实现密度梯度变化，衬垫的其他区域选择单点积分四面体网格. 系带总长度为200 mm，选用*MAT_1弹性材料模型和4 mm四边形网格进行模拟. 外壳与吸能缓冲层之间采用Tied_node_to_surface接触;吸能缓冲层与头部模型之间，外壳与刚性平砧之间均采用Automatic_surface_to_surface接触. 头盔模型中各部分具体的材料参数如表1所示.所建立的头盔有限元模型如图2所示.1.3 EPS泡沫材料应力-应变曲线本文利用Schraad和Harlow[11]提出的随机多孔材料理论推导出一系列泡沫压缩应力-应变曲线，并将这些曲线应用到头盔模型吸能缓冲层中.1.4 模型验证根据摩托车头盔法规GB 24429-2009[13]和ECE R22.05[14]，选取头盔B点位置进行跌落碰撞实验，B点所在位置如图5所示. 该实验在头盔性能测试试验机中完成，如图6所示. 在实验中头盔和M号刚性金属头型固定在一起，将头盔拉升至距离刚性平砧2.9 m高度处释放，使其自由下落产生7.5 m/s的撞击速度，实验重复三次，实验数据通过内置于刚性头型质心位置的加速度传感器测得. 如图7所示，头盔跌落实验结果和对应仿真（图2（a））的加速度-时间曲线显示了良好的一致性，头盔模型的准确性得到验证.2 功能梯度头盔梯度参数选择如图8所示，基于柚子皮组织梯度分布现象，本文设计了13种密度梯度方案探究仿生梯度EPS泡沫结构对头盔防护能力的影响. 各种梯度方案如表2所示，其命名方法如下：Ave80和Max80分别表示泡沫衬垫平均密度和最大密度为80 kg/m3;Δρ20和Δρ-20分别表示衬垫最外。