Biomechanical analysis of helmeted head impacts: novel materials and geometries

Abstract

A cortiça é um material celular natural capaz de suster quantidades consideráveis de energia. Estas características tornam este material ideal para determinadas aplicações como a proteção de impactos. Considerando equipamentos de segurança passiva pessoal, os materiais sintéticos são hoje em dia os mais utilizados, em particular o poliestireno expandido. Este também é capaz de absorver razoáveis quantidades de energia via deformação permanentemente. Por outro lado, a cortiça além de ser um material natural, é capaz de recuperar grande parte da sua forma após deformada, uma característica desejada em aplicações com multi-impacto. Neste trabalho é efetuada uma avaliação da aplicabilidade da cortiça em equipamentos de segurança pessoal, especificamente capacetes. Vários tipos de cortiça aglomerada foram caracterizados experimentalmente. Impactos foram simulados numericamente para avaliar a validade dos modelos constitutivos e as propriedades utilizadas para simular o comportamento da cortiça. Capacetes foram selecionados como caso de estudo, dado as energias de impacto e repetibilidade de impactos a que estes podem ser sujeitos. Para avaliar os capacetes de um ponto de vista biomecânico, um modelo de cabeça humana em elementos finitos foi desenvolvido. Este foi validado de acordo com testes em cadáveres existentes na literatura. Dois modelos de capacete foram modelados. Um modelo de um capacete rodoviário feito de materiais sintéticos, o qual se encontra disponível no mercado e aprovado pelas principais normas de segurança de capacetes, que serve de referência. Este foi validado de acordo com os impactos da norma. Após validado, este foi avaliado com o modelo de cabeça humana em elementos finitos e uma análise ao risco de existência de lesões foi efetuado. Com este mesmo capacete, foi concluído que para incorporar cortiça aglomerada, a espessura teria de ser reduzida. Então um novo modelo de capacete foi desenvolvido, sendo este uma espécie de modelo genérico com espessuras constantes. Um estudo paramétrico foi realizado, variando a espessura do capacete e submetendo o mesmo a duplos impactos. Os resultados destes impactos e da análise com o modelo de cabeça indicaram uma espessura ótima de 40 mm de cortiça aglomerada, com a qual o capacete tem uma melhor resposta a vários impactos do que se feito de poliestireno expandido.

Cork is a natural cellular material capable of withstanding considerable amounts of energy. These features make it an ideal material for some applications, such as impact protection. Regarding personal safety gear, synthetic materials, particularly expanded polystyrene, are typically used. These are also able to absorb reasonable amounts of energy by deforming permanently. On the other hand, in addition to cork being a natural material, it recovers almost entirely after deformation, which is a desired characteristic in multi-impact applications. In this work, the applicability of agglomerated cork in personal safety gear, specifically helmets, is analysed. Different types of agglomerated cork were experimentally characterized. These experiments were simulated in order to assess the validity of the constitutive models used to replicate cork's mechanical behaviour. In order to assess the helmets from a biomechanical point of view, a finite element human head model was developed. This head model was validated by simulating the experiments performed on cadavers available in the literature. Two helmet models were developed. One of a motorcycle helmet made of synthetic materials, which is available on the market and certified by the main motorcycle helmets safety standards, being used as reference. This helmet model was validated against the impacts performed by the European standard. After validated, this helmet model was analysed with the human head model, by assessing its head injury risk. With this helmet, it was concluded that a thinner helmet made of agglomerated cork might perform better. Thus, a new helmet model with a generic geometry and a constant thickness was developed. Several versions of it were created by varying the thickness and subjecting them to double impacts. The results from these impacts and the analyses carried out with the finite element head model indicated an optimal thickness of 40 mm, with which the agglomerated cork helmet performed better than the one made of expanded polystyrene.