Modelling and evaluation of composite combat helmet subjected to standard blunt impacts with focus on injury metrics

Military helmets, having as their task the preservation of the integrity of the head, play an essential role within the equipment provided for the safety of soldiers operating in combat zones. Constant research in the field has shown, through various studies, that blunt impacts, due, for example, to falls, hits to the head, crashes of military vehicles and parachuting landings, are very common and often associated with traumas capable of constituting a major safety issue. In this optical, the so-called "head injury criteria" allow the numerical evaluation of an impact by relating some measurable parameters to health risk thresholds. Resources have been invested to be able to make improvements in the design of next-generation military helmets, and new specific testing criteria were introduced by drawing on currently adopted standards related to road safety, such as the European ECE 22.06. The objective of this thesis is to develop models capable of replicating, in the LS-DYNA® simulative environment, the verification procedures prescribed by the NATO standard AEP-2902, concerning the evaluation of helmets subject to non-ballistic impacts, in anticipation of future laboratory testings to be conducted. For the development of this thesis, a digital helmet model was developed replicating the geometry of the Advanced Combat Helmet (ACH). A headform was put inside the digitized geometry and impact tests were implemented. Downstream of the simulations, several indicators were calculated, following some of the criteria proposed in literature, focusing on the values of the peak linear acceleration (PLA) and on the Head Injury Criterion (HIC).

Gli elmetti militari, avendo come compito il preservare l’integrità della testa, svolgono un ruolo essenziale all’interno dell’equipaggiamento fornito per la sicurezza dei soldati impegnati in zone di combattimento. La costante ricerca nel settore ha evidenziato, tramite diversi studi, come gli impatti di tipologia "blunt" dovuti ad esempio a cadute, colpi da corpi contundenti alla testa, incidenti di veicoli militari e atterraggi, siano molto comuni e spesso associati a traumi in grado di costituire un problema rilevante per la sicurezza. In quest’ottica, i cosiddetti "head injury criteria" consentono la valutazione numerica di un impatto mettendo in relazione dei parametri misurabili con delle soglie di rischio per la salute. Si sono investite risorse per poter apportare dei miglioramenti nella progettazione degli elmetti militari di nuova generazione, introducendo criteri di verifica specifici attingendo dagli standard correntemente adottati in merito alla sicurezza stradale, come la norma europea ECE 22.06. L’obiettivo di questa tesi è quello di sviluppare modelli in grado di replicare, nell’ambiente simulativo LS-DYNA®, le procedure di verifica prescritte dalla normativa NATO AEP-2902 riguardante la valutazione degli elmetti soggetti ad impatti non balistici, in previsione di futuri test che saranno svolti in laboratorio. Per lo svolgimento di questa tesi è stato sviluppato un modello digitale di elmetto replicando la geometria dell’Advanced Combat Helmet (ACH). All’interno di tale geometria digitalizzata è stato calettato un surrogato di testa umana conforme alla normativa e sono state predisposte delle prove di impatto. A valle delle simulazioni, sono stati calcolati diversi indicatori, seguendo alcuni tra i criteri proposti in letteratura, concentrandosi sui picchi massimi di accelerazione traslazionale (PLA) e sul Head Injury Criterion (HIC).