Detailed FE simulation of helmet technologies and development of an experimental prototype for safety enhancement

This thesis examines advanced technologies for protective helmets, with a focus on evaluating protection in rotational impact conditions. Based on experimental testing, three reference bicycle helmet models, standard, MIPS, and WaveCel, were selected from commercially available options. Through a reverse engineering process, detailed finite element models of these helmets were created on LS-DYNA to study differences in energy absorption capabilities and to investigate the actual functionality of the specific applied technologies. The performance of new helmet prototypes equipped with innovative impact-absorbing core was also evaluated through drop tests and damage characteristic analysis. The test and simulation results highlight differences in energy absorption capacities across various helmets, with significant variability arising from the specific point of impact, which depends on the helmet’s design. Finally, the thesis provides recommendations for future developments and optimizations in helmet modelling.

Questa tesi esamina tecnologie avanzate per caschi protettivi, con particolare attenzione alla valutazione della protezione in condizioni di impatto rotazionale. A partire da test sperimentali, sono stati selezionati tre modelli di riferimento tra i caschi da ciclismo disponibili in commercio: standard, con tecnologia MIPS e con tecnologia WaveCel. Tramite un processo di reverse engineering sono stati creati modelli dettagliati ad elementi finiti su LS-DYNA, utilizzati per studiare le differenze nella capacità di assorbimento dell'energia e indagare l'effettiva funzionalità delle tecnologie applicate. Sono state inoltre valutate le prestazioni di nuovi prototipi di casco dotati di un innovativo strato interno per l'assorbimento di energia tramite prove di caduta e analisi delle caratteristiche dei danni. I risultati dei test e delle simulazioni evidenziano differenze nelle capacità di assorbimento dell’energia tra i diversi caschi, con una variabilità significativa legata al punto specifico di impatto in funzione del design del casco. La tesi fornisce, infine, raccomandazioni per futuri sviluppi e ottimizzazioni nella modellazione di caschi.