减震结构制造技术

设计减震结构的方法。该方法确定物体施加在结构(11)上的力，该力是物体在撞击过程中移动结构表面的距离的函数。该方法计算物体在结构上施加的力相对于撞击过程中物体移动减震结构表面的距离的积分与物体在撞击过程中在减震结构上施加的最大力和物体在撞击过程中使减震结构的表面移动的总距离的乘积的比率。该方法还确定最大化比率的结构特征变量的对应值，以用于设计所述结构。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】减震结构本专利技术涉及减震结构，尤其涉及用于保护穿戴者免受伤害的可穿戴式减震结构。本专利技术还涉及设计减震结构的方法和制造减震结构的方法。当人或物体受到足够大的撞击时，可能会造成人身伤害或物体损坏。为了生产能够提供保护以免受潜在的破坏性或伤害性撞击的材料和结构，已经投入了相当大的开发性努力。撞击保护对于防止头部受伤特别重要。头部受到打击会导致创伤性颅脑损伤(TBI)。脑部创伤可能是由于对头部的局部撞击、颅骨内突然的加速或减速、或撞击与运动的结合所致。TBI可能导致具有有限的治疗选择的长期健康状况。其他头部受伤可能包括皮肤撕裂伤或颅骨骨折。头部受伤的常见原因是参加运动。例如，骑自行车时摔倒可能导致骑车人的头部撞击坚硬的坚固物体或表面。为了帮助防止这种伤害，头盔在许多运动中是习惯或强制性的，例如骑自行车、摩托车、骑马、攀岩和美式足球，以及冬季或冰上运动，例如滑冰、冰球和滑雪。头部受伤的另一个常见原因是建筑物或建筑工地上的坠落物造成的撞击。WO2016/125105公开了一种撞击吸收头盔，其包括作为内部抗撞击衬里的空心单元结构。这种结构有助于在涉及撞击时通过包含该结构的头盔在给定位移上增加耗散的能量，同时限制传递给穿戴者的力。本专利技术试图提供一种改进的减震结构以及设计这种结构的方法。从第一方面看，本专利技术提供了设计减震结构的方法；该方法包括：确定在物体撞击减震结构的外表面上的过程中物体在减震结构上施加的力，该力是物体移动减震结构外表面的距离的函数；计算相对于撞击过程中物体移动减震结构外表面的距离的物体在减震结构上施加的力的积分与物体在撞击过程中在减震结构上施加的最大力和物体在撞击过程中移动减震结构的外表面的总距离的乘积的比率；和确定减震结构的一个或多个特征变量的对应值，该值使用于设计减震结构的所述比率最大化。因此，本专利技术提供了设计减震结构的方法。通过根据撞击过程中物体移动到结构中的距离确定物体施加在结构上的力来设计减震结构。力的这种确定用于计算相对于物体在撞击过程中移动结构外表面的距离的力的积分。物体在撞击过程中施加在结构上的最大的力与物体到结构外表面中的总位移的乘积也被计算出来(即，限制在撞击过程中物体的力-位移曲线的矩形)。然后将其用于计算积分与最大力和总位移的乘积之比率。为了确定减震结构的一个或多个特征变量的对应值(然后可以将其用于设计结构)，将积分与最大力和总位移的乘积之比率最大化，例如通过改变物体撞击结构的一个或多个特征变量的值。(如下所述，可以使用其他客观度量代替或辅助比率，确定用于设计减震结构的特征变量。)将会认识到，通过使在撞击过程中(例如，该撞击具有特定能量并传递特定冲击力)减震结构的所述比率和因此力-位移曲线下的面积最大化，有助于优化结构的负荷减轻。改善结构的负荷减轻有助于改善该结构所提供的安全性，例如当它形成头盔的一部分时(并因此能够帮助减少在撞击中引起TBI的可能性)。这是因为使力最小化有助于减小结构在撞击过程中经历的峰值加速度(以及因此撞击物体经历的峰值减速度)，这有助于降低伤害持续的可能性。此外，例如，在安全约束内，减震结构的一个或多个特征变量的优化有助于改善该结构的性能。这是因为，至少在本专利技术的优选实施例中，减震结构的重量和厚度中的一者或两者都能够在优化一个或多个特征变量的过程中被最小化，使得该结构在物体撞击到更薄和/或更轻的结构上时可以维持相同的冲击力。使减震结构的重量和/或厚度最小化可以帮助减少阻力和/或提高该结构对使用者的舒适度。减震结构的一个或多个特征变量的对应值的优化还有助于为具有某些约束的结构，例如其形状和该结构的可预见的用途(例如，撞击场景)提供最佳的负荷减轻。例如，可能期望头盔具有特定形状以适合使用者的头部，并且可能需要头盔保护使用者的头部免受特定的最大力(例如，满足安全标准)。当最大化力-位移比时，通过优化方法评估结构的撞击响应，本专利技术的至少优选实施例能够设计将满足这些标准的合适的减震结构。申请人已经发现，与例如通常在头盔中使用的传统泡沫相比，至少使用本专利技术方法的优选实施例设计的结构可以在负荷减轻方面提供大约两倍的改进。此外，至少该方法的优选实施例可以允许将减震结构针对特定的一组要求定制，例如使得可以用针对目标用户头部的特定形状定制的方式来设计安全帽。减震结构(例如，将要设计的)可以是能够吸收撞击的冲击力的任何合适且期望的结构。在优选实施例中，该结构包括开放的空隙。优选地，减震结构包括蜂窝状结构或格子状结构。在一个实施例中，减震结构包括蜂窝状结构。蜂窝状结构优选地包括多个镶嵌的蜂窝，其中多个蜂窝(例如，每个蜂窝)具有多个侧壁(例如，与相邻的蜂窝共享)。蜂窝状结构可以包括多个顶点，该多个顶点具有在其间延伸的多个侧壁。可以对顶点中的一个或多个顶点进行预弱化，例如以减少撞击过程中减震结构所承受的峰值力。优选地，(例如每个)单元在侧壁内是中空的。具有中空空隙的蜂窝状结构可以帮助改善减震结构的通风，例如当在头盔中使用时。优选地，多个侧壁垂直地延伸至减震结构的(例如内和/或外)表面(以及例如在其之间)，例如沿着径向方向延伸。优选地，单元(例如，每个单元)具有(例如，规则的)多边形横截面(例如，在基本垂直于侧壁延伸方向的方向上)。因此，优选地，侧壁基本上是平坦的并且，例如，沿着表面法线方向、垂直于局部表面切线延伸。因此，优选地，蜂窝状结构的单元包括二维(例如，镶嵌)形状，该二维形状沿着减震结构(例如，“柱状”单元)的(例如，内和/或外)表面法线方向投影。应当理解的是，当减震结构的表面是平坦的时，这导致单元壁彼此平行地延伸；当结构的表面弯曲时，单元壁将彼此分离或会聚。在一个实施例中，对于以这种方式镶嵌的这些形状，多个单元可各自具有相同的横截面形状，例如三角形、正方形或六边形。在一些实施例中，多个单元可以由多种不同的形状镶嵌而成，例如正方形和八边形、三角形和正方形、六边形和三角形或其任意组合。除了规则多边形之外，多个单元还可以包括一些不规则多边形或形状。优选地，镶嵌单元形成周期性的瓦片状平铺。格子状结构优选地包括在多个顶点之间延伸的多个支柱。支柱可包括壁(例如，在二维上延伸)，但是优选地，支柱基本上仅在一个方向(即，在顶点之间的方向)上延伸。因此，优选地，(例如，每个)支柱在其在顶点之间延伸的方向上的尺寸明显大于垂直于该方向的尺寸。可以对顶点中的一个或多个顶点进行预弱化，例如以减少撞击过程中减震结构所承受的峰值力。减震结构(例如，将要设计的)可以具有任何合适的和期望的整体形状(在其中具有任何合适的和希望的结构，例如，如上所述)。因此，减震结构可以是平坦的，例如具有平坦的内表面和/或平坦的外表面(被设计为与撞击物相撞的侧面)。因此，当减震结构包括蜂窝状结构时，优选地，单元的侧壁在(例如平坦的)内表面和(例如平坦的)外表面之间延伸，并且侧壁基本上彼此平行。在一组优选的实施例中，减震结构包括弯曲的(例如凸形的)外表面。减震结构还可包括弯曲的内表面。因此，例如当该结构被本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.设计减震结构的方法；所述方法包括：/n确定在物体撞击到减震结构的外表面的过程中物体在减震结构上施加的力，该力是物体移动减震结构外表面的距离的函数；/n计算物体在减震结构上施加的力相对于撞击过程中物体移动减震结构外表面的距离的积分与在撞击过程中物体在减震结构上施加的最大力和物体在撞击过程中使减震结构的外表面移动的总距离的乘积的比率；和/n确定最大化所述比率的减震结构的一个或多个特征变量的对应值，以用于设计减震结构。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180227 GB 1803206.01.设计减震结构的方法；所述方法包括：
确定在物体撞击到减震结构的外表面的过程中物体在减震结构上施加的力，该力是物体移动减震结构外表面的距离的函数；
计算物体在减震结构上施加的力相对于撞击过程中物体移动减震结构外表面的距离的积分与在撞击过程中物体在减震结构上施加的最大力和物体在撞击过程中使减震结构的外表面移动的总距离的乘积的比率；和
确定最大化所述比率的减震结构的一个或多个特征变量的对应值，以用于设计减震结构。


2.根据权利要求1所述的方法，其中所述减震结构包括蜂窝状结构或格子状结构。


3.根据权利要求2所述的方法，其中所述蜂窝状结构包括多个镶嵌单元，其中所述多个单元中的每一个均具有与相邻单元共享的多个侧壁。


4.根据权利要求3所述的方法，其中所述多个侧壁垂直延伸到减震结构的表面。


5.根据权利要求3或4所述的方法，其中所述单元在与所述侧壁延伸的方向基本垂直的方向上具有多边形截面。


6.根据权利要求3、4或5所述的方法，其中所述一个或多个特征变量包括以下一项或多项：侧壁的厚度、单元的特征宽度、单元的高度以及单元的形状。


7.根据权利要求6所述的方法，其中所述单元的特征宽度在10mm至50mm之间。


8.根据权利要求6或7所述的方法，其中所述单元的侧壁的厚度在0.4mm至5mm之间。


9.根据权利要求6、7或8所述的方法，其中所述单元的高度在10mm至30mm之间。


10.根据权利要求6至9中任一项所述的方法，其中所述单元的形状具有六边形的横截面。


11.根据权利要求6至10中任一项所述的方法，其中所述单元的相对密度在0.025至0.07之间，其中所述相对密度为大约2t/w，其中t是所述单元的侧壁的厚度，并且w为是单元的特征宽度。


12.根据权利要求2所述的方法，其中所述格子状结构包括在多个顶点之间延伸的多个支柱。


13.根据权利要求12所述的方法，其中所述一个或多个特征变量包括以下各项中的一项或多项：所述支柱的长度、所述支柱的厚度和所述支柱的几何形状。


14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述减震结构包括弯曲的外表面和/或内表面。


15.根据权利要求14所述的方法，其中所述减震结构的曲率半径在60mm至140mm之间。


16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法还包括：将物体撞击在所述减震结构上，以确定在物体撞击到减震结构的外表面的过程中所述物体施加在所述减震结构上的力，该力作为所述物体移动所述减震结构外表面的距离的函数。


17.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中确定最大化所述比率的减震结构的一个或多个特征变量的对应值的步骤包括重复确定物体施加在减震结构上的力和计算一个或多...

【专利技术属性】
技术研发人员：詹姆斯·E·T·库克，安东尼·耶路撒冷，克莱夫·西维尤，
申请(专利权)人：牛津大学科技创新有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB