比翱工程实验室丨运动头盔用机械超材料：结构力学、设计优化和性能

两周倒计时丨SAPEM 2023 多孔弹性材料声学技术大会

运动性脑震荡是一个公共健康问题。提高头盔性能以降低脑震荡风险是研发团队应对措施的关键工作。头部与柔顺表面的直接和倾斜碰撞会导致长时间的中等或高线性和旋转加速度，这与脑震荡的高临床诊断率有关。作为具有不同寻常的性能组合的工程结构，机械超材料正被应用于运动头盔，目的是提高抗冲击性能和降低脑损伤风险。用超材料设计方法（构造材料以获得所需性能）取代已确定的头盔材料（即泡沫）选择，可以开发接近最佳的性能。在为头盔设计机械超材料时，基于对脑震荡的最新理解以及代表实际运动碰撞和跌倒的头盔测试的目标函数可以应用于拓扑优化机制。这种机制平衡了计算效率和预测精度，在高应变和应变速率下，这两种情况都可以得到改善，以允许随着脑震荡知识的发展对头盔进行修改。研究人员还可以在开放、同质化的存储库中共享机械超材料数据、拓扑结构和计算模型，以提高其开发效率。

（A）乙烯基腈（VN）泡沫，（B）膨胀聚丙烯（EPP_泡沫和滑面，以及（C）作为冰球头盔内衬一部分的剪切增稠聚合物（STP）垫。

不同相对密度的泡沫在相同应变速率下的压缩应力与应变的示例。曲线下的面积W表示吸收的能量。对每个泡沫标记应力平台的开始（1）和结束（2）。

牛顿流体和剪切增稠流体的行为（其中梯度随剪切速率增加）。

平行于5×20mm中心椭球孔短轴加载的100×100mm薄板的最大剪切（工程）应变等值线图，具有任意、相等的拉伸载荷和模量，但泊松比为（a）0.5和（B）−0.5。采用有限元软件进行了静态结构模拟，以证明这一概念。

一些值得注意的机械超材料设计自由度：（A）蜂窝，经过大角度肋的修改，成为（i）重新进入。（B）四边形蜂窝，具有本征模肋镶嵌以形成膨胀晶胞，或小肋旋转和挤压路径修改，形成（ii）折纸启发的超材料。（C）手性晶胞的各种周期性旋转和平移重复，形成（iii）反四手性、（iv）2D手性和（v）3D手性超材料。粉红色线框表示最简单的重复单元，随后的重复显示为灰色或蓝色。

（A）屈曲梁中的卡扣阶段。（B）贯穿单元。（C）包含在立方晶胞和（D）超材料中。（E）示例力位移（任意值），包括（A）中的阶段。

（A）不同轴向压缩应变率的单双梁设计和屈曲方向。（B）多材料六边形单元导致主导变形模式的切换。

表：头盔中应用的关键超材料类型、性能、优点和挑战概述。

机械超材料设计提供了自由度，可以使头盔具有在导致颅骨骨折的严重撞击和可能导致临床诊断的脑震荡的严重撞击之间适应的冲击响应。机械超材料头盔衬垫设计或优化的目标功能可以通过在具有代表性的测试条件下在生物模拟人头模型上测试和改进设计的头盔来进行修改，以更好地了解所需的有效性能。因此，鼓励开发头盔、机械超材料和测试方法的研究人员之间的合作，可以改善头盔。病理学研究可能有助于确定这种干预措施随着时间的推移所产生的影响。在高应变和应变速率下提高拓扑优化工具的效率和可用性，将使头盔能够随着脑震荡知识的提高而更新。在这里，开放数据和开源软件计划将是有益的。为了增加对冲击严重程度的适应机制的选择，研究人员可以专注于增加打印或模制粘弹性材料的选择，或者开发拓扑方法来调整有效的粘弹性。

原文来源：Smart Materials and Structures, Volume 32, Number 11；Mechanical metamaterials for sports helmets: structural mechanics, design optimisation, and performance

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