بررسی عددی اثر جنس و ضخامت پوسته در مکانیک برخورد کلاه ایمنی موتورسیکلت


orinag

چکیده

در تصادفات موتورسیکلت، شتاب وارد بر سر ناشی از برخورد، خطر بسیار زیادی برای سلامتی موتورسوار و سرنشینان دارد. در این پژوهش با استفاده از مدل اجزاء محدود به تحلیل دینامیکی برخورد مجموعه کلاه ایمنی شامل سر، پوسته، فوم، بالشتک و بند پارچهای برای بررسی اثر ضخامت و جنس پوسته بر معیار آسیب سر (اچ آی سی) پرداخته شده است. کلاه ایمنی از نوع جلوباز با در نظرگرفتن سه جنس رایج انتخاب شد. در بیشتر تصادفات در لحظه برخورد سر با زمین، نحوه قرارگیری سر به صورت مایل می باشد. در مدل شبیه سازی شده این مقاله، در برخورد نیز سر به صورت مایل قرار گرفته است. نتایج به دست آمده از این تحقیق با نتایج آزمایشات تجربی و مقالات معتبر تایید شده اند. نتایج شبیه سازی نشان میدهد که ضخامت بهینه ای برای کلاه ایمنی صرف نظر از جنس آن وجود دارد. برای تعیین ضخامت بهینه باید مصالح های بین پارامترهای مختلفی چون معیار آسیب سر، شکست پوسته، وزن و قیمت انجام شود. طبق نتایج به دست آمده، در صورتی که ضخامت افزایش یابد، وزن کاله و دامنه تغییرات شتاب وارد بر سر افزایش یافته و همچنین احتمال شکست پوسته کاهش می یابد. در صورتی که با کاهش ضخامت، علی رغم کاهش شتاب وارد بر سر، تنش ایجاد شده در پوسته افزایش یافته و منجر به شکست آن می شود.

مقدمه

تصادفات جادها از مهمترین دلایل مرگ و میر در جهان است. با افزایش جمعیت و افزایش استفاده ازموتورسیکلت، موضوع سلامتی و ایمنی موتورسواران هنگام تصادف از اهمیت قابل ملاحظه ای برخوردار شده است مطالعات بسیار زیادی بر روی نحوه قرار گیری مجموعه سر هنگام برخورد انجام شده است تا اثر بار اعمال شده به سر بررسی شود. خطر آسیب دیدگی در تصادفات برای موتورسواران نسبت به سرنشینان خودرو تا 30 برابر بیشتر است،زیرا موتورسواران در مقایسه با سایر استفاده کنندگان از وسایل نقلیه از امنیت کمتری برخوردارند.
کلاه ایمنی از دو بخش اصلی پوسته خارجی و فوم تشکیل شده است. پوسته، خارجی ترین لایه کلاه ایمنی بوده در برابر ضربه اولیه از سایر اجزا محافظت می کند. پوسته با پخش ضربه روی ناحیه ای بزرگ از کلاه ایمنی، از شکست فوم و نفوذ اشیاء تیز در آن در هنگام برخورد جلوگیری می کند. فوم با قابلیت تغییرشکل بزرگ بخش زیادی از انرژی وارد برسر را جذب نموده و انتقال ضربه به سر به شکل قابل ملاحظه ای کاهش می یابد. سایر بخش های کلاه ایمنی عبارتند از بالشتک پارچه ای داخلی که جهت ایجاد انطباق کامل سر در کلاهایمنی بوده و بند که جهت کشش سر و نگهداری آن با مجموعه کلاه ایمنی می باشد.
رایج ترین نوع برخورد در تصادفات در جهان است که عامل به وجود آمدن شتاب خطی و دورانی می شود. در صورت تجاوز مقدار شتاب دورانی از 10□((k rad)/(s^2)) احتمال اینکه آسیب منجر به مرگ شود افزایش می یابد. شتاب دورانی عامل اصلی 60 % از صدمات جدی به ناحیه سر وهمچنین شتاب خطی عامل بیش از 30 % صدمات سر شناخته می شود. همچنین طبق آمار در اروپا در بیش از 57 % تصادفات در هنگام برخورد، زاویه سر با زمین کمتر از 30درجه بوده است. تمام این نکات بر اهمیت بسیار زیاد بررسی برخورد مایل و آسیب های وارد بر سر تاکید دارند.
در تحقیق حاضر اثر جنس و ضخامت پوسته و سرعت برخورد بر شتاب خطی و دورانی، بر روی کلاه ایمنی جلوباز با استفاده از روش المان محدود با در نظرگرفتن پوسته در سه حالت شامل دو جنس مرکب )کامپوزیت( و یک ماده ترموپلاستیک برای کلاه ایمنی جلوباز بررسی می شود. استفاده از مواد مرکب به دلیل توانایی بالا برای جذب انرژی نسبت به سایر مواد، از بسیاری از ضعف های مواد سنتی مانند شکست می کاهد. علاوه بر این، مواد مرکب دارای استحکام و سختی بسیار بیشتری نسبت به رزین های ترموپلاستیک می باشند.
نتایج حل عددی با نتایج آزمایشگاهی و همچنین مقالات معتبر صحت سنجی می شوند. با بررسی نقش ضخامت پوسته در کلاه ایمنی و تأثیر آن در معیار آسیب و همچنین بهینه سازی ضخامت، نه تنها کلاه ایمنی در هنگام تصادف از سر نقش حفاظتی را کاملاً ایفا می کند، بلکه امکان صرفه جویی در مواد، کاهش وزن ناشی از ضخامت اضافی و در نتیجه راحتی در هنگام استفاده نیز به طور کامل میسر می شود. با توجه به اینکه فوم بعنوان فنر بدون جرم، غیرخطی عمل میکند و همچنین در شرایط مسئله فرض تغییر شکل های بسیار کوچک صحیح نمی باشد.

خواص مکانیکی مواد

فوم

فوم ای پی اسِ یک ماده سلولی مصنوعی با سلول های بسته است که به طور گسترده در کاربردهای جذب انرژی به عنوان ابزار محافظتی مورد استفاده قرار می گیرد. به همین دلیل و همچنین هزینه کم آن، رایج ترین فوم مورد استفاده در کلاه ایمنی موتور سیکلت است. ای پی اسِ از طریق توانایی خود برای ایجاد تغییر شکل دائمی، انرژی را جذب می کند. رفتار فوم ای پی اِس تحت فشار یک طرفه می باشد. جهت شبیه سازی رفتار فوم، فوم از جنس الاستو-پلاستیک در نظر می گیری. برای شبیه سازی رفتار الاستیک )کشسان( فوم از قانون هوک طبق رابطه σ=Eε استفاده می شود که مدول یانگ 𝐸 ، تنش 𝜎 و ε کرنش مهندسی می باشد.

پوسته

جنس پوسته کلاه ایمنی که معمولا ضخامتی بین 2.5 تا 5.5 میلی متردارد. از مواد ترموپلاستیک مانند اِی بی اسِ و پلی کربنات و یا کامپوزیت مانند جی آر پی و کولار می باشد. پوسته های ساخته شده از مواد کامپوزیت عموماً قیمت بیشتری در مقایسه با پوسته های ترموپلاستیک دارند و در کلاه ایمنی های پیشرفته، مانند کلاه ایمنی مسابقات موتورسواری استفاده می شوند. رایجترین مواد مورد استفاده در تولید پوسته کلاه ایمنی جی آر پی و اِی بی اسِ و کِولار می باشند. بررسی رفتار جی آر پی نشان می دهد که خواص مکانیکی آن وابسته به رویه تولید آن می باشد. مزیت اصلی کِولار نسبت به اِی بی اسِ استحکام بیشتر به همراه وزن کمتر می باشد، البته قیمت آن در برابر اِی بی اسِ بیشتر بوده که انتخاب جنس پوسته را دشوار می کند.

بند پارچه ای

بند، در طول مدت استفاده از کلاه ایمنی سر را متصل به مجموعه نگه میدارد. بند کلاه ایمنی از جنس نایلون و یا پِت با چگاkg/m^3 700 و مدول الاستیک1000Mpa و نسبت پواسیون 0.2 می باشد .از آنجایی که پوسته در فاصله شعاعی زیادی نسبت به مرکز جرم سر قرار می گیرد، لختی دورانی کلاه ایمنی تمام صورت دو برابر لختی دورانی سر می باشد و این احتمال خارج شدن کلاه ایمنی از سر در هنگام تصادف را درصورتی که بند کاملاً کشیده شده نباشد، افزایش میدهد. وظیفه بند جلوگیری از جابجایی سر در کلاه ایمنی می باشد، از این رو برای شبیه سازی هرچه دقیقتر بند به نحوی که در حین برخورد در کشش باشد تا از حرکت سرجلوگیری شود، پیش از شبیه سازی مدل اصلی، بند به تنهایی از هر دو طرف متصل به کنار کلاه کشیده شده و مدل تغییر شکل یافته آن به مدل شبیه سازی اصلی وارد می شود.

بالشتک داخلی

بالشتک داخلی عموماً از فوم های نرم و انعطاف پذیر با چگالی کم تشکیل می شود. بالشتک داخلی با فراهم کردن تناسب قرارگیری سر در کلاه راحتی استفاده از کلاه ایمنی را فراهم می کند. بالشتک داخلی سهم بسیار کمی از انرژی جذب شده دارد، و بنابراین تأثیری در کاهش آسیب وارد بر سر ندارد. علاوه بر این طبق نتایج بالشتک داخلی برای جذب انرژی بسیار نازک است و تنها برای ایجاد انطباق بین سر و کلاه ایمنی استفاده می شود وتأثیری در پاسخ مجموعه سر هنگام برخورد ندارد. اگرچه در این تحقیق بالشتک پارچه ای بین لایه های کلاه ایمنی شبیه سازی شده است، اما می توان از شبیه سازی آن به دلیل کاهش حجم محاسبات صرف نظر کرد.

پارامترهای حل

در تعریف مکانیزم برخورد از الگوریتم پنالتی و تماس از نوع صفحه به صفحه استفاده شده است. تماس بین لایه ها با ضریب اصطکاک بین پوسته و زمین 0.4 پوسته و لایه فوم 0.5 و بین سر و فوم مقدار 0.2 در نظر گرفته شده است. تطابق بسیارخوب سر با لایه پارچه و همچنین فوم، اصطکاک کافی بین آن ها و همچنین لختی دورانی بالای کلاه ایمنی از عواملی هستند که از لغزش در این لایه جلوگیری می کنند.
از آنجایی که مقایسه سرعت برخورد سر به سکو در دو حالت که در محدوده سرعت استاندارد قرار می گیرند مطلوب است، براساس ارتفاع معادل 1 و 2 متر طبق رابطه v=√2gh سرعت در دو حالت مذکور برابر 4.428m/s و 3m/s6.26 به دست می آید.
زاویه برخورد سر برابر 15 درجه نسبت به محور قائم لحاظ شده است. همچنین در شبیه سازی اثر جاذبه زمین در نظر گرفته شده است. حلگر دینامکی صریح با مدت زمان شبیه سازی 0.02 ثانیه با در نظرگیری تغییر شکل های بزرگ استفاده می شود.

در شکل شماتیکی از نحوه انجام برخورد مایل در شبیه سازی اجزاء محدود نشان داده شده است:


orinag