头盔性能测试系统的受力分析.docx

图I头盔测试装童示意图1觀凝土基座2钢基座3压电式测力传感器及支承杆4头枳5头盗6钢權7电荷玻犬鞋8 SCI6光线冻玻器广东省钢铁研究所中山 刘志坚 关桂芬 大学广东省公安科学研 郭金基 究所 杨高 伍成柏张慧裴锦才卢国泰受力状况.导出其动力学（冲量）方程.计算打击力，同时讨论形响卄算打击力的因*•计算数值与实测结采十分相近，本文 的结果可应用于防弄头益、消防头蛊.安全帽等的性能计算.关键词头盔冲童方程打击力性能测试 根据消防头盔、安全帽试验的技术标准GA44-93、GB2812-89，采用钢锤迄击防弹头 盔的测试装置，实测头盔的打击力. 「y“1 头盔的性能测试及受力状况头盔覆盖在头模上，模拟人体孤越头亞•询试 装置如图】所示•头模可采用木质、铝质 或空心缓 冲网状材料：按头盔的曲面形状制成•前两者与头 盔緊密接級，并且认为头模与头盔均是均匀和各 向同性材料.钢悸由一定高度（如】m）自由下落与头盔发 生撞击，由于撞击时间短，冲量大，钢锤与头盗撞 击产生弹性变形，且在接触点产生局部小区域塑 性变形•选取钢锤、头盔、头模看作一系统，打击 传递到测力传愿器头部的力为系 统所受的外力， 其局部微小的塑性变形吸收了 一部分能最.由于烈 性变形区域微小与整体比 较可以忽略不计，因此 头盗、头棋可看作是弹簧一刚块.弹赞一刚块发生 弹性变形吸收了一 部分能凤；其反作用力使钢镭 反弹并使掩击时间延长；此时头盔、头模的反弹均 消耗了一部 分能尿.米用压电式测力传感器，信号綸岀到电荷放 大器（或Portable Vibration Analyzer仪）放 大， 再输岀到SC16光线示波器自动记录，根据事先标定的数值，从记录的波形标髙可以确定头棋模拟人 体所受的打击力，在头模适当仪置上安装位移，速度或加速度传感器，接入上述电荷放大器及SC16光 线示波器，可以测得头 模测点的位移、速度或加速度本文研究铝质头模及防护缓冲网的头盔测试装宜在钢锤撞击下所受的作用力■分析其受力状况..2打击力的算式钢锤、头盔.头模（弹性）变形体在变形很微小的情况下，根据变形硬化原理，可以看 作为刚休.在撞 击受力情况下.多刚体动力学方程为：花Y蚀玄二工旳— （1）其中万为系统所受的外力，皿，为系统中第i个刚体的质量.苍为第i个刚体的加速 度，gi为第i个色 体的初翌速度，乞为经山时间后第i个刚体的速度.经整理可得：盜一 E叫広 （2）式中X 为系统在初始状态下的总动量，工m焉匚为系统经At时间后所具有的动量•对钢锤、头盔、头模所组成的•系统.受力如图2所示.钢锤撞击头盔、头模及缓冲网带传递到测力传感器上设为状态厶对本系统而肓，钢 锤、头盔、头模及缓冲网带互相亡间的作用力为内力，在（2）式中不出 现，但（2）式足对 纯刚体撞击而导出的冲量方程.而头盔、头模及级H 网帑在 握击过程中产生变形，要选择新的物理祺基对方盘（2）改 造・ 具体说来，设钢锤质量为m当钢縫以速反卩曲撞击头 盔与头模，由于 它们产生了弹性交毎（忽略局部小区域塑性 变形）.相当于撞击在一蝉資 ――刚块上，它抵消了一部分 撞击的动并延长了撞击时间Atz.假设这 一部分动量 等于钢锤反弹的动量.设钢锤反弹的速度为K \则此动乙丄量为（-加卩/）・头模与缓冲网带相联结.头盔.头模受撞击后, 图2 钢缓锤冲、头网盔带与产头生模了为弹一系性统变时形，同样相当于撞击在一弹簧一刚块上•抵消了一部分撞击动嚴和延、2受力示意图 八’长了撞击时间设头盗.头模的质量依次为皿2、® •它们的反弹速度为同样假设抵消的这部分动量 等于头盔.头模 的反弹动fi： -（m2 + m3）r22•设钢锤撞击头盔、头模及缓冲网带传递到测 力传感器上的打击力为只打击 时间为At,则ZU = AL+A严，又由于初始状态（设为状态D全部速度匕i为0,将它们全部代入⑵式 可得：FAi = 7n|（V - V f） -（m + m） V - 0 （3）2l 2l 2 3 22设钢锤由距头盔高度为力的地方自由下落•其速度为：y^y/lgh （4）其中g为重力加速度• 由（3）式可得打击力的算式：_ 一比；丿一（叫+e丿%~At式中At V； V可由实验具体测出⑴•高度h可先给岀.由（4）式算得•由此可算得打击力F. 3计算实例与实验22结果工况1：铝模+头盔钢锤质量为5kg・在lm高度自由下落•头盔质凰为1. 85kg,铝头模质显为3・85kg.由实 验测得钢锤 的反弹速度为c・8m/s,头盔、头模的反弹速度均为0・4m/s,实测打击时间At为0. 125s,而卩h可由⑷式 算得：V = 5/2g =4.429m/sn 把它们代入(5)式可得：5x (4・429 — 0・8) —(1・85 + 3・85) x 也=计姑 z工况2:缓冲网带+头盔钢锤质量仍为5kg,仍在lm高度自由下落，头盔质量为1・85kg,缓冲网带质量忽略不 计.由实验测 得，钢锤反弹速度为0・6m/S、头葢的反弹速度为0・3m/s,打击时间〃为0」45s,代入⑸式可得：S>_ 5x (4. 429—0.6) T・85x0・3 ・ 二12&22 (N)r0. 145现将按图1的实验装置钢镭撞击头盔的实验结果及工况k 2的计算数值列于表1.表1头益测试及计算娥谊标定值 mV/格~记*灵毅度•氏牯匸慕為度m m ~头模所受打击力 N 计算值 N1100M；2100100XS8 128 126.9413 130 128.22从表中可以看出，实测的结果与计算数值十分相近4 测试及结果讨论从上述简化模型计算与实验测定的结果比较分析如下：(1) 从表1可以看出・按本文所取的模型计算的结果与实测结果十分相近，工况1的相■对误差为0・82%,工况2的相对误差为1・36%・按弹性力学.塑性力学理论.F二〈rds,其Js中。

为应力，s为应力作用的范围.要计算打击力F,首先得测出其应力分布函数，而头模弹击时的动态应 力夠•应变切均是三维应力问题，测试其分布在实际上是很困难的.在撞击过程中，由于捕击时间短.冲趙大 •我们采用5kg的钢蚀在lrn髙度自由下落，撞击前动 能达到49.3J,撞击过程中•除了一部分转化成钢 锤、头盔.头模的动能外，大部分转化成 头盔、头模的变形能(包括部分型性变形能).还有一小部分转化成 热能及支承杆的振动 能，根据变形能计算公式：(O =J aijSijdV (6)要计算3,必须先知道而切却是需要我们自己测知的.因此采用本文所述的模 型，忽略其局部塑程变形， 把系统看作一刚体模型，然后由刚体动力学理论推得打击力的算式，再结合实际，对模型进行改造，从而避 开了从能植方法去求解・使得打击力的计算非常 方便.且由实验结果看出.经这样计算得到的结果与实测结 果非常相近，误差较小.(2) 假如是纯刚体之间的碰據，因其打击时间非常短暂，反弹速度很大在钢锤撞击头盔过程中.头盔、 头模发生局部微小区域鲍性变形和弹性变形・实际上它仍是变形体， 但变形极其微小.由变形硬化顶理可视 为刚体•其实际效果是延长了打击时间并使钢锤的反 弹速度减小•相当于钢蚀撞击在一弹簧一刚块上一样.并 假设弹簧一刚块抵消一部分的冲 趙等于反弹的动量•这样处理在防弹衣模拟靶打击力的计算中已使用过•与 实验结果非常相近・(3) 在撞击过程中•撞击力不只是垂直方向的「还有水平方向的分力，水平方向的分力必然会引起头 模、头盔在水平方向的侧移.同时因为头模是固定在支承杆上.因此还会引起 支承杆的晃动.所有的这些必然 会引起能斌的转移，在计算上变得非常复杂.但是假如选取 钢锤.头盔、头模组成一系统.则钢锤、头盔与头 模之间作用力为系统的内力.不会在冲量 方程（1）中出现，而我们按实际的作用效果可假设系统所受的外力 只有垂直方向的受力•若选取头模测力传感器•支承杆作为一个系统•则头盔与头模之间的作用力为奚统的 外力， 使得冲邀方程（1）变得非常复杂.而不得已选用能量方法去求儔・ 如楼立莎述・ 在撞击过 程中.动 能大部分转化成头盔、头模的变形能，一部分转化为热能及支承杆的振动能•因为 头模的动态应力珂和应变 為是三维应力问题.测贵松茹复埜，同吋还要计算振动能量也十 分困难，现选择的系统则避开了上述何題.本文的计算结果可推广到消防头蛊安全馆等的性能计算中去.也为消防头盔•安全帽等的设计提供了理 论依挹，有较大的实用意义.参考文献1 中山大学力学系固体力学实尬室 •GGK93T 型近距离防弹头盔冲击力测试报告 v—〉2周培建，AK-霍普肯斯主编•材料对强冲击栽荷的动态响应•科学出版社・1985收稿日期：1998-03-12（上接第63页）彼此接触.当凸凹模2下降时，贝I」通过凹模7将坯料拉延为高度63mm，内径4〉111mm的工 件，完成正拉延工序，如图3 所示.在正拉延工序完成后，由于小凸轮17 的作用，使压边圈9 上升到最高位置和凸凹模 2 端面接触.这时. 凸凹模 2 继续向下运动，而压边圈9 由于在小凸轮的作用下也开始以同样 的速度下降.下压形凸模便开始进 入凸凹模内•对工件开始进行反拉延，一直将它拉延到90mm的高度为止，〈1） 111mm反拉延后为MOmm，完 成反拉延工序，如图4 所示.成型工件 通过小凸轮的作用，使压边圈上升而将其托出.正反拉延工艺是拉延工艺中的新工艺，尤其适用于杯形件拉延成型，具有结构简单的优 点.二工序改 为单工序.节省了劳动力和一台双动拉延压力机设备.另外.一模多用.节省 钢材，提髙了产品质AL破损率从 0.4%降为0.2%,降低了生产成本•有明显的经济性.・收稿日期：1998-02-10。