In contact sports, such as American Football, the players head trauma remains a significant challenge. This topic is highlighted each year by the players association and media. The literature analysis proved that using Finite Element (FE) models to explore head kinematics and injury mechanisms is an ongoing trend. My career as an American Football player led me to understand that human safety awareness is not enough highlighted. The findings will focus on American Football;​ however, an accident can occur while riding a bicycle or walking.

The first study describes an attempt to record the behaviour of the athletes during the simulated tackling situation. Due to the limited game recordings and poor video quality at the domestic game level, it was decided to attempt to record the athlete in two separate movements and combine them in prepared simulations. The recordings took place cooperating with the Wrocław University of Science and Technology and Wrocław University of Health and Sport Sciences. To verify, the attempts were recorded for further analysis with TEMA software (IMAGESYSTEMS). Finally, coupling two numerical codes – MADYMO and LS-DYNA enabled the author to progress further and prepare a set of two simulations with different tackling mechanics (so-called open-ϔield and side tackle). The multibody dummies available in MADYMO served as athletes’ models, and the American Football helmet was modelled in LS-DYNA.

The second experiment aimed to develop an additional energy-absorbing layer for the developed American Football helmets. There was an established cooperation between the Cracow University of Technology, the University of Aveiro (Portugal) and the Wrocław University of Science and Technology to develop state-of-the-art cork porous composites from sustainable materials. Twelve different samples were tested under dynamic loading to assess the ability to absorb energy, and finally, the tests were recreated numerically to obtain a validated material model. With the analysed and chosen material the thesis leads to physical experiments carried out during my stay at the University of Virginia in the Center for Applied Biomechanics (United States of America). The aim of the dissertation was to develop an additional absorbing layer that would minimize the probability of injury. The tests with two different design approaches proved that cork could serve as an additional energy-absorbing layer.

The final study focused on the verification of linear accelerations as a predictor for head injury. Analysing the trend visible in car or urban accidents, I adopted a similar strategy in sports accidents. Analysing the available simplified numerical head model αHEAD I proved that hydrostatic pressure values do not correlate with HIC under selected impact conditions. After considering that the available numerical head models on the market offer a broad but simplified geometry choice. According to the state of the art presented, the geometry of the human brain might greatly influence the results.

The first examined objective of the study was partially fulfilled due to the multi-body models limitations. The lack of literature studies about the active human body models is not sufficient to use the models with success. The dynamic testing of biocomposites were successful, however the tests proved that agglomerated cork would perform better under dynamic impact conditions. The scientific target was partially proven as the additional energy-absorbing layer, designed as an addon, has successfully mitigated head acceleration for lower energy impacts. Lastly, no linear correlation was found between the head’s centre of gravity accelerations and intracranial pressure. This information showed that the standards should be refreshed and updated to provide sufficient safety to users.

W sportach kontaktowych, takich jak Futbol Amerykań ski, urazy głowy są istotnym wyzwaniem dla zachowania zdrowia zawodnikó w. Temat ten jest na przestrzeni lat coraz częściej podkreślany zaró wno przez stowarzyszenia zawodnikó w jak i przez media. Przeprowadzona przeze mnie analiza literatury wykazała, że wykorzystanie modeli numerycznych głowy może z powodzeniem służyć za narzędzie do badań mechanizmó w urazó w. Natomiast moje doświadczenie jako gracza Futbolu Amerykań skiego, naświetliły brak świadomości dotyczącej bezpieczeń stwa sportowcó w. Zaprezentowane wyniki badań będą się skupiać na Futbolu Amerykań skim, jednak wypadki mogą się wydarzyć się choćby podczas jazdy rowerem czy spaceru, co daje możliwość ekstrapolacji rezultató w na wiele ró żnych dyscyplin.

Pierwszy rozdział rozprawy doktorskiej skupia się na pró bie zarejestrowania kinematyki sportowcó w, któ rzy symulują powalenie przeciwnika. Ze względu na ograniczoną liczbę oraz niewystraczającą jakość nagrań z krajowej ligi Futbolu Amerykań skiego, zdecydowałem się zarejestrować kinematykę zawodnikó w w odrębnych sytuacjach i połączyć je za pomocą symulacji multibody. Badania te odbyły się we wspó łpracy Politechniki Wrocławskiej z Uniwersytetem Wychowania Fizycznego we Wrocławiu. Nagrania zostały przeanalizowane przy pomocy oprogramowania TEMA (IMAGESYSTEM), co pozwoliło na wyznaczenie warunkó w brzegowych do symulacji. Połączenie dwó ch kodó w numerycznych, MADYMO i LS-DYNA, umożliwiło przygotowanie symulacji z rozró żnieniem na sposoby powalenia przeciwnika (tak zwane open-field i side tackle, z ang. powalenie). Modele multibody w oprogramowaniu MADYMO służyły jako modele zawodnikó w, a kask do Futbolu Amerykań skiego był zamodelowany w kodzie LS-DYNA.

Drugi rozdział opisuje badania mające na celu użycie materiałó w odnawialnych, uwzględniając ich właściwości do absorpcji energii impaktora i ich zastosowanie jako dodatkowa warstwa energochłonna do kaskó w. Dzięki wspó łpracy z Uniwersytetem w Aveiro i Politechniką Krakowską opracowano kompozyty z korka naturalnego oraz oleju spożywczego, użytego wcześniej do smażenia. Dwanaście próbek, o ró żniących się proporcjach korka naturalnego, zostało zbadanych przy użyciu obciążeń dynamicznych, w celu oceny absorbcji energii. Po przeanalizowaniu wynikó w i wyborze materiałó w, nawiązałem wspó łprace z Uniwersytetem w Wirginii, Center for Applied Biomechanics, gdzie odbyłem staż i przeprowadziłem eksperymenty z kaskiem do Futbolu Amerykań skiego. Celem stażu było opracowanie dodatkowej warstwy absorbującej energię, któ ra miałaby zredukować prawdopodobień stwo urazó w. Testy z dwoma konfiguracjami dodatkowego materiału wykazały, że aglomerat korkowy może z powodzeniem służyć za dodatkową warstwę do kaskó w futbolowych.

Finalnie, badanie skupiło się na weryfikacji przyspieszeń liniowych jako kryterium urazó w głowy. Analizując trendy w wypadkach samochodowych, przyjąłem podobną strategię i zdecydowałem się na przeprowadzenie badań przy użyciu symulacji numerycznych. Dzięki wykorzystaniu uproszczonego modelu głowy człowieka αHEAD wykazałem, że wartości ciśnienia śró dczaszkowego, nie korelują się liniowo z wartościami HIC. Wspierając się przeglądem literatury, wywnioskowałem, że zbyt uproszczona geometria modelu numerycznego mó zgu może znacząco wpływać na wyniki badań .

Pierwszy cel badań został wykazany częściowo z uwagi na ograniczenia modeli multibody. Ograniczony stan wiedzy na temat modeli aktywnych może wskazywać na ich wątpliwą wiarygodność. Testy z obciążeniem mechanicznym dla pró bek pozyskanych z materiałó w odnawialnych powiodły się. Wykazały, że zdolności pró bek do pochłaniania energii uderzenia są zbyt małe w poró wnaniu do aglomeratu korkowego. Wykorzystanie materiału korkowego okazało się być dobrym rozwiązaniem dla uderzeń z mniejszą energią uderzenia, podobnie jak w literaturze dla guardian caps. Nie wykazano liniowej korelacji pomiędzy wartościami kryterium HIC, a ciśnieniem śró dczaszkowym dla modelu αHEAD. Jednoznacznym wnioskiem z badań jest stwierdzenie, że kryteria urazó w powinny być zaktualizowane, aby zapewnić maksymalne bezpieczeń stwo zawodnikom Futbolu Amerykań skiego.