Finite element analysis of mandibular protection in motorcycle helmet

Bikers are among the most vulnerable road users, and motorcycle accidents occur daily. To mitigate the potential injuries or fatalities resulting from these accidents, motorcyclist helmets and other protection systems have been developed since the 1960s. However, despite the availability of helmets that are legally considered safe, some of these helmets still present certain problems and significant risk factors. This thesis aims to analyze the varying levels of protection offered by different types of helmets. The helmets selected for analysis include an open-face helmet, a full-face helmet, and a flip-up helmet. The primary focus of this analysis is the chin zone, as this is where the main differences among the three helmets lie. The analyses are conducted using the finite element software LS-Dyna. Additionally, a new finite element model of the head, developed in 2022, is employed. This model offers a high level of detail and incorporates bone fracture behavior through a triaxiality curve. The helmet models are created through reverse engineering, involving the scanning of real helmets. The results reveal that the open-face helmet does not provide protection to the mandible, resulting in potentially lethal injuries. On the other hand, full-face and flip-up helmets offer a more substantial level of protection, particularly when the flip-up helmet’s chin bar is closed

Ogni giorno avvengono incidenti stradali che coinvolgono i motociclisti, i quali sono tra gli utenti più fragili della strada. Per prevenire che questi incidenti causino ferite gravi che possono portare alla morte, dagli anni 60 del XX secolo sono stati sviluppati caschi e sistemi di protezione per i motociclisti sempre più sofisticati e performanti. Nonostante ciò, ancora oggi sono in commercio e in utilizzo dei dispositivi che, sebbene a livello legale sono definiti sicuri in realtà presentano delle problematiche e dei fattori di rischi maggiori. In questa tesi si analizzerà la differenza di protezione che viene fornita dai diversi modelli di casco oggi in commercio. Per la precisione si analizzeranno un casco jet, un integrale e un modulare. La zona presa in esame è quella del mento in quanto i 3 caschi per quanto riguarda le altre parti sono molto simili tra loro, sia a livello di geometrie che di componenti. Il focus nella zona del mento è dovuto al fatto che in tale punto i tre caschi presentano le diversità maggiori a livello costruttivo e quindi potrebbero offrire livelli di protezione diverso. Le analisi sono svolte mediante l’utilizzo di un software a elementi finiti, per la precisione LS-Dyna. Inoltre, è stato utilizzato un modello di testa sviluppato nel 2022 che presenta un livello di dettaglio molto elevato e tiene conto anche della rottura delle ossa mediante una curva di triassialità appositamente sviluppata. I modelli dei caschi sono stati ottenuti per reverse engineering partendo da caschi reali e scannerizzandoli. I risultati ottenuti mostrano come il casco jet non fornisca alcun tipo di protezione della mandibola e del mento, causando lesioni letali. Mentre il casco integrale e quello modulare, se con la mentoniera chiusa, forniscono un livello di protezione adeguato.