2022年冬奥会背景下气动抗冲击冰雪运动头盔关键技术研究

一、项目背景及意义 

随着2022本土冬奥会的日益临近，国家和地方各级各部门出台了一系列行之有效的促进冰雪运 动及相关冰雪装备发展的政策。支持开发科技含量高、拥有自主知识产权的冰雪运动产品已成为冰雪行动计划中一项重点工作。面对未来全国 3 亿人参与冰雪运动，以及近2000亿元的市场规模，我省冰雪科研基础薄弱、设施落后，尤其相关装备研发制造明显不足。面对我省“两核、三带、四基地、四品牌”的发展目标，看到美好前景的同时，也应迎接更多挑战。研发具有自主知识产权的冰雪运动头盔产品符合国家和地方的发展政策，可满足当前及未来冰雪运动爆发期对冰雪运动装备的需求。本项目开发一种定制化气动抗冲击冰雪运动头盔，结合增材制造技术及我国冰雪运动者头型大数据解决高端冰雪运动头盔长期依赖进口的问题，结合晶胞结构拓扑优化技术及碳纤维整体热压成型技术解决传统头盔舒适性不足及重量过大的问题。项目的顺利进行，有助于填补国内在高端冰雪运动头盔产品领域的空白，形成有影响力的自主雪盔品牌；可为相关领域的运动员及爱好者量头定制冰雪运动头盔提供有效的解决方案，提升冰雪运动竞技水平，促进张家口-承德冰雪运动“两核”格局的形成。

二、项目简介

为贯彻落实国家及河北省冰雪运动行动计划相关政策，满足当前及未来对冰雪运动装备的需求；填补国内在高端冰雪运动头盔产品领域的空白，形成有影响力的自主雪盔品牌；为相关领域运动员及爱好者量头定制雪盔提供有效解决方案，提升冰雪运动竞技水平，促进张家口-承德冰雪运动“两核”格局的形成。本项目结合用户头型三维逆向建模技术，体心立方晶格吸能层拓扑优化、减阻及通风流动控制技术、数值模拟技术、激光选择性熔覆增材制造技术及耐低温环氧树脂碳纤维热压成型技术等核心技术开发一种定制化气动抗冲击冰雪运动头盔。 

项目核心,团队由2位东北师范大学体育学院的冰雪专业的博士生导师及来自承德石油高等专科学校的7名博士和10名硕士组成，技术领域覆盖雪盔研发的各个阶段。在此基础上注册形成的本项目合作单位：承德斯塔克科技有限公司，有助于加速雪盔产品的研发推广及市场化进程；此外，项目合作单位东北大学体育学院拥有冰雪运动重点实验室，国家体育总局建立的冰雪科研基地，并诞生了多位冰雪项目冬奥冠军，可为项目的顺利开展提供全方位的技术和渠道支持。同时，与区域内御道口国家雪上运动中心、河北旅发集团金山岭滑雪场达成了合作意向，与北京易加三维公司及河北英曼卡科技有限公司达成了代加工合作共识、从而为本项目运动头盔的产业化及市场化提供了有力支撑。在此基础上我们又获得了省级和国家级的中小企业。

三、项目拟采取的研究方法

（一）基于Magics及Optistruct工具针对头部不同敏感部位，完成头盔内胆吸能层体心立方晶格结构的全局拓扑优化，使得内胆充分滤振的情况下，实现轻量化。 

（二）基于Magics及Hyperworks工具针对结构支撑、重心优化，以及实体模型结构，进行3D打印过程稳定性、打印实物稳定性，以及打印成本角度优化解决方案，优化3D打印工艺。 

（三）基于数值模拟技术及大口径低速风洞测试技术，实现头盔气动性能优化设计、通风进气换热量求解、抗冲击性能评估、体心立方晶格力学性能分析，有效的提升头盔整体设计效率，为后续试验验证积累优秀模型。 

（四）基于微胶囊包覆技术，通过改变包覆层组成，厚度，形貌等参数，制备硬度可调的3D打印 TPU 粉体；并结合选择性激光熔覆增材制造技术实现内胆整体成型。 

（五）基于分子设计原理，通过向环氧树脂中引入柔性分子链或纳米粒子增强相，增强 环氧树脂在低温环境中的断裂韧性和抗冲击强度，提高碳纤维环氧树脂复合材料低温抗冲击特性；并结合耐低温环氧树脂碳纤维复合材料热压成型技术实现头盔外壳成型。 

四、项目研究方法的可行性、先进性分析 

本项目基于充分的前期调研工作及预研成果，滑雪头盔个性化设计及制造技术设计方案。结合拓扑优化技术和 3D 打印 Magics 技术经典设计理论，并建立有效的经验参数选择机制从而实现滑雪头盔个性化设计的关键参数的程序化设计。结合Hyperworks和Optistruct典型建模操作的指令化及控制参数的参数化过程，将滑雪头盔的内胆设计和头盔外壳设计的建模过程实现参数化指令建模。从而实现滑雪头盔的三维自动参数化建模。此后，通过对滑雪头盔的空气动力特性评估技术对所建模型进行静力学及动力学分析，并以此作为检验当前设计方案是否合理的依据；基于滑雪头盔各项数据的分析结果，指导相关关键参数的优化方向，实现设计方案的改进，并经虚拟样机验证，得到有效的设计方案。最终经各项试验检测，验证头盔的安全性、舒适性、气动性等各项指标，完成产品定型。 

五、项目创新点

（一）提出一种通过微扰动流动控制技术，自适应进气量控制装置，降低头盔风阻、提升头 盔透气散热舒适性的方法。通过引入微扰动流动控制技术，使头盔后缘附近产生气膜，从而隔绝高速运动过程中头盔外壳与外界空气的摩擦；此外，气膜还可使头盔尾部空气流动 分离点后移、减小分离区面积，进一步降低气动阻力。根据冰雪运动过程中不同项目、速度、姿态对头盔通风散热的需求，提出自适应通风换热装置，使得进气量可根据具体需求而自动调节。确定冰雪运动过程中头盔内头部的舒适温度，并根据具体冰雪运动特点研究保持头部舒适温度的换热量，进而得到相应状态的风量需求。将风量需求与通风装置通风口开度建立映射关系，从而通过自适应控制通风口开度变化调节通风换热量，最终保持头部持续处于舒适温度区。

（二）以不同特征尺度的非金属材料体心立方结构来代替传统 EPS 聚苯乙烯发泡材料，制作头盔内胆吸能层，保证滤振效果又能针对用户头型实现定制化。借鉴仿生学成果，以啄木鸟头部骨骼结构为基础，针对头部不同敏感部位设计并优化体心立方晶格结构。通过 ANSYS、Magics、Optistruct 等分析及优化工具，对典型晶格结构、以及内胆整体结构进行静力学和冲击载荷下性能评估。数值分析的主要依据：①利用有限元分析法（FEM）对问题进行数学建模；②经过连续迭代计算后的目标值相差小于给定收敛容差，完成问题的求解收敛；③设计灵敏度分析，即设计响应对优化变量的偏导数；④根据灵敏度的设计进行近似模拟拟合。在此基础上进行相关验证性实验研究，完善内胆体心立方晶格结构拓扑优化。最终结合 Hyperworks 优化软件，针对结构支撑、重心优化，以及实体模型结构，进行3D 打印过程稳定性、打印实物稳定性,以及打印成本优化角度给出解决方案。 

（三）提出一种通过 3D 逆向扫描头型数据，选择性激光熔覆增材制造内胆，耐低温环氧树脂碳纤维热压外壳而设计生产冰雪运动头盔的方法。结合基于立体视觉的光学测量逆向扫描设备，发展人体头部外形结构数据快速采集、拟合、三维建模方法；对比固定式、移动式扫描的便捷性、精度、被测对象舒适性等因素，优化逆向扫描工艺；基于样条曲线拟合及蒙面法将所得点云生成三维任意曲面，获取头部外形结构的三维数学模型。针对冰雪运动温度范围，深入研究 PC 材料、ABS 材料、碳纤维材料、凯夫拉纤维及复合材料等作为头盔外壳的低温抗冲击性、低温韧性、催化温度等材料性能。综合分析各项性能确定头盔外壳材料，研究其材料的外壳成型工艺，特别是针对耐低温环氧树脂-碳纤维材料任意曲面热压成型技术。 

（四）协调融合高校智力资源、实训基地产能资源、创业苗圃市场资源、分散的 3D 打印产能资源使雪盔产品加快研发速度，可为产学研用各方协同创新提供有效示范。项目依托单位始终坚持工学并举的职教理念，汇聚了大批理论扎实、实践经验丰富的行业专家；各类实验实训室模拟真实应用场景建设，在满足教学实践的同时也为创新创业提供了基地；省级创新创业苗圃的推动作用，促进了核心团队注册形成承德斯塔克科技有限公司；此外，个性化头盔产品的发展也将带动承德区域内分散于各个企业中的 3D 打印设备，实现大型装备的高效利用。 

六、项目取得的成绩

 项目团队前期工作以冰雪运动头盔及头盔智能辅助教练员系统荣获：第八届中国创业大赛（河北省赛区）暨河北省第七届创新创业大赛行业赛一等奖；2020年创客中国河北省中小企业创新创业大赛三等奖；河北省第十二届“挑战杯”中国大学生创业计划省赛一等奖；第六届河北省“互联网+”大学生创新创业大赛铜奖。中国创翼大赛承德赛区二等奖；2019年创客中国河北省中小企业创新创业大赛优胜奖；全国体育科技创新创业大赛优胜奖；以此项目获批河北省科技厅“科技冬奥”冰雪重大专项课题和市级课题，到校经费50多万。项目在研发过程中申报了9项国家专利，获批2项实用新型专利，7项发明专利都在受理和公布中，项目也得到了中青报和中青在线的报道。

项目创景

我们将逐渐以高性能运动头盔为中心，辐射大众冰雪运动及竞技比赛应用，带动智慧雪场建设，为实现承德—张家口冰雪双核，实现带动3亿人参与冰雪运动做出更大的贡献。同时希望，2022年在家门口举办的冬奥会上，我们国家的运动员可以配备自主研发的运动装备奋战赛场，并站到最高领奖台！