在世界卫生组织2015年最新公布的道路安全全球现状报告中显示,2013年因道路交通事故而死亡的人数为125万人。其中,在所有因道路交通事故而死亡的人群中,半数是行人(22%)、骑自行车者(4%)和骑摩托车者(23%),且这一数据基本趋于稳定。在这之中,头部是骑行人在交通事故中致死损伤概率最高的部位。因此,对上述人群采取有效的保护措施刻不容缓。论文首先回顾了头部损伤生物力学的发展历程,详细介绍了人体头部的结构划分以及头部损伤的评价标准,目前,研究头部损伤的方法主要有物理模型法、动物试验法、尸体试验法和有限元法,评价标准主要有韦恩州立大学耐受限度曲线WSTC(Wayne State Tolerance Curve)、头部冲击程度指数SI(Severity Index)、头部损伤评价标准HIC(Head Injury Creteria)、简明损伤定级法AIS(Abbreviated Injury Scale)、格拉斯哥昏迷分级指数GCS(Glasgow Coma Scale)以及颅脑耐受限度。其次,使用手持式3D扫描仪和CATIA软件根据真实的头盔进行逆向设计,建立了符合实际情况的三维模型,主要针对头盔外壳和吸能衬垫进行建模,并据此构造出相应的有限元模型;再者,将头盔模型与人体头部模型进行耦合,在相关参数的设置中,参照最新的研究成果,选取已经被试验验证的接触方式、参数与耦合条件,并按照法规中规定的碰撞过程,模拟碰撞发生时的动力学响应过程,验证了耦合模型的准确性。最后,基于欧洲法规和国家标准GB-811,以碰撞过程中的冯米塞斯应力值为评价指标,以头盔的材料取值为优化参数,对头盔进行优化设计;根据影响因素及其水平设计了两组三因素三水平的正交试验,从材料属性上对现有的头盔进行优化设计,确定了最优方案并对该方案进行验证。通过对头盔的建模,并与头部模型进行耦合,开展模拟仿真,研究了影响头盔吸能特性的关键材料参数。根据两组试验的结果显示,对于头盔的吸能衬垫,密度是对吸能效果影响最显著的因素,其次是杨氏模量,最后才是泊松比;而对于头盔的外壳来说,影响程度的排序是相同的。在这6个参数中,只有吸能衬垫的假设检验F值明显大于假设检验F的临界值,其他5个影响因素则小于假设检验F的临界值。这说明吸能衬垫的密度是对头盔合加速度影响最大的材料参数。佩戴经过优化的头盔后,颅骨的最大冯米塞斯应力值从25.26kPa减少到了20.35kPa,降低了26.04%,大脑的最大冯米塞斯应力值从4.34kPa减少到了3.38kPa,降低了22.12%。这些结果为头盔的进一步优化设计提供了重要的数据支撑。