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摘要：一种高防护性变刚度滑雪头盔及其设计、制备方法，属于头盔领域。首先将非均匀曲线加筋变刚度设计技术融入到头盔设计，利用空间变量凝聚技术和网格映射技术，建立变刚度非均匀曲线筋条模型的表征方式，得到外壳筋条簇的几何模型，并实现复杂小空间异形曲面上曲线筋条的参数化建模和筋条形貌、布局的协同设计。再通过试验测试确定外壳所用材料的各组分及配比，并通过模流分析确定注塑工艺参数。最终获得高防护性变刚度滑雪头盔设计方案。本发明能够实现复杂小空间异形曲面上曲线筋条的参数化建模和筋条形貌、布局的协同设计；可以实现结构刚度在不同的区域按需分配，显著提升头盔的设计能力，有望成为头盔设计中最具潜力的方法之一。

主权项：1.一种高防护性变刚度滑雪头盔的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤100：对头盔外壳几何模型进行分区处理，得到三个平面矩形设计域；步骤200：在步骤100所获得的三个平面矩形设计域内，建立三个平面设计域中变刚度非均匀曲筋簇的参数化几何模型，其中曲筋簇包括多个曲线筋条；包括以下子步骤：步骤201：设定曲线筋条路径函数f的控制参数θ1、θ2、θ3；步骤202：利用分段线性函数定义曲线筋条路径函数f:步骤203：曲筋簇中的每根曲线筋条由过原点的基准筋条通过偏移获得，由步骤202中得到的曲线筋条路径函数f计算各个曲筋簇的偏移区间；步骤204：利用所获得的偏移区间，使用插值函数构建控制各曲筋簇偏移量的布局函数Dn，并设定Dn中的筋条数量参数N、非均匀分布控制参数α1、α2；步骤205：设置非均匀分布控制参数α1、α2的约束不等式；步骤206：基于布局函数Dn计算曲筋簇中每根筋条的具体偏移量di；步骤207：由路径函数f得到过平面设计域原点的曲线筋条路径，根据步骤206中所计算的各曲线筋条具体偏移量di，沿着平面设计域的纵向平移筋条，分别得到三个平面设计域中非均匀曲筋簇的参数化几何模型；步骤300：对步骤207中得到的非均匀曲筋簇的参数化几何模型进行网格划分，得到筋条簇的平面网格；利用外壳蒙皮的投影平面和原曲面间的空间映射关系，得到筋条簇的曲面网格；并建立头盔的参数化CAE模型，此处参数化CAE模型为包含内壳、具有空间曲线筋条的外壳的有限元计算模型，通过有限元分析得到结构的力学响应指标，包括以下子步骤：步骤301：利用获得的三个平面矩形设计域，对非均匀曲筋簇的参数化几何模型进行裁剪，删去模型中超出设计域的部分；步骤302：对于裁剪后的非均匀曲筋簇的参数化几何模型，利用CAE软件进行网格划分；步骤303：对于步骤102中半头盔外壳模型，利用CAE软件中的三角形单元进行网格划分；并按照步骤102中的区域划分方式，分别将网格投影到空间直角坐标系的三个主平面，获得平面蒙皮模型；步骤304：根据平面筋条网格的节点坐标，寻找所对应的平面蒙皮单元，进一步寻找所对应的投影前头盔模型中的蒙皮单元，确定与蒙皮相连的筋条底层元节点的空间位置；步骤305：以设计域沿着z轴向x-y平面投影为例，根据平面蒙皮模型上三角形单元中的三个节点的空间坐标，构建平面形函数: 其中，x1、x2、x3、y1、y2、y3分别是三角形单元中三个节点的横、纵坐标值；x，y表示该三角形单元中任意一点的位置；N1表示节点1所对应的形函数；N2表示节点2所对应的形函数；N3表示节点3所对应的形函数；A表示该三角形单元的面积；步骤306：利用空间蒙皮的三角形单元的三个节点连线构建两个空间矢量，利用两矢量叉乘和方向调整计算出三角形单元的单位法向量；步骤307：借助步骤304的单元节点空间位置、步骤305的平面形函数和步骤306的单位法向量，由平面筋条模型的节点坐标计算出曲面筋条模型的节点坐标: 其中，nx、ny、nz是三角形单元单位法向量在坐标轴上的各分量，x0、y0、z0是平面筋条模型的节点坐标，x'、y'、z'是目标筋条模型的节点坐标；步骤308：在CAE软件中，定义各区域曲筋间、及其和外壳蒙皮间的位移耦合关系，并镜像得到头盔外壳的完整CAE模型；步骤309：建立头盔内壳模型，使用布尔运算在头盔内壳上建立与外壳筋条对应的凹槽，并建立头盔内外壳之间的位移耦合或接触关系；步骤310：定义模型边界条件并赋予材料属性，利用有限元求解器对步骤309中的头盔CAE模型进行结构有限元分析，得到结构的力学响应指标；步骤400：利用优化算法，对头盔外壳的筋条路径和分布进行优化设计，包括以下子步骤：步骤401：执行步骤200-309的参数化建模过程，获得头盔的CAE模型；步骤402：执行步骤310，得到结构的力学响应指标；步骤403：将步骤402所获得的头盔设计参数和对应的力学响应指标输入优化求解器，并判断当前设计方案是否满足收敛条件，如果不满足则返回执行步骤401至步骤403；如果满足，完成优化设计，得到头盔外壳非均匀曲线筋条设计方案，即得到头盔结构设计方案；步骤500：根据步骤403中得到的头盔结构设计方案，通过优选确定外壳所用材料的各组分及配比，包括以下子步骤：步骤501：以短切纤维增强ABS树脂材料作为头盔外壳材料，制备不同纤维基体组分配比的材料试验件；步骤502：对步骤501中所制备的材料试验件进行落锤冲击试验，测试各纤维基体组分配比的材料试验件的力学性能；步骤503：根据步骤502中试验结果，综合考虑材料的强度、刚度和韧性，调整短切纤维增强复合材料中各纤维及基体的组分配比；步骤504：重复步骤501-步骤503，直至头盔外壳试验件满足既定指标要求，得到最优的头盔外壳材料的纤维基体组分配比。

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