保护结构及其制作方法技术

一种保护主体不受冲击的保护结构，其包括由相对柔性的材料制成的内层和对应的多个保护单元，所述内层具有多个间隔开的开口，所述开口在内层的相对面之间延伸。每个保护单元包括薄壁的、可溃缩的流体密封的壳体和在壳体壁上的至少一个孔，一定量的流体填充在壳体中，所述孔响应于作用在该结构上的冲击而以选定的速率抵抗性地自壳体中排出流体。多个保护单元容纳在多个开口中，使得该壳体的从第一层的一个面突出的对应的第一区段共同形成中间层。内层和每个保护单元的配合表面将每个保护单元保持在内层的对应的开口中。本发明专利技术还公开了一种制作这种保护结构的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总体上涉及一种冲击能量管理方法和系统。更具体地，本专利技术涉及一种设计为用于保护受冲击物体或主体不受冲击造成的损害并且具有容易定制的特性以在大的 冲击能量范围内提供最优冲击衰减响应的保护结构。
技术介绍
A.碰撞物体的物理性质 运动中的物体具有构成其质量(m)和速度(v)的函数的动能(KE)，动能(KE)用下 列方程式表达KE = l/2mv2 (1) 当所述物体与其他物体碰撞时，能量发生转移，从而传递力(F)。所传递的力是两 个主要关系的函数。首先，传递到物体的力(F)等于物体质量(m)乘以其合成加速度(a)， 根据牛顿第二定律，力=质量X加速度或者F二ma。加速度(a)测量物体随时间(t)的速 度变化(A v)(速度变化可以是正的或负的，因此，加速度也可以是正的或负的量)，因此牛 顿定律可以改写为如下型式F = m((Av)/t) (2) 从这个等式中，显而易见的是，减小传递到具有固定质量(m)的物体上的力的一 种方法是延长物体改变速度所需的时间，从而降低其加速度。 其次，力(F)是物体能量(E)(采用动能的形式)传递通过的距离(d)的结果，方 程式为F = E/d (3) 从这个方程式中，显而易见的是，减小具有给定量的能量(E)的冲击物体的力(F) 的另一方法是延长物体能量(E)传递通过的距离(d)。 第三个关系控制所传递的力的作用。压强(P)描述力(F)在力(F)被传递的面积 (A)内的集中度，并且遵循方程式P = F/A (4) 从这个方程式中，显而易见的是，能够通过减小由冲击物体传递的力(F)或通过 增大力(F)被传递的面积(A)来减小冲击的压强(P)。 考虑到上述三个关系，显而易见的是，减小由冲击物体造成的损害的方法是通过 延长物体加速(或减速)所用的时间(t)或者延长能量被传递的距离(d)来减小被传递的 力(F)的水平、或者增大力(F)被传播的面积(A)。理想体系应该使用所有三个方法来减少 冲击损害。 力是以牛顿(IN = lkg-m/s2)或磅(lb)来测量的质量是以千克(kg)或质量磅 (lb-m)来测量的而加速度是以米每秒每秒(m/s2)或英尺每秒每秒(ft/s2)来测量的。通 常公知的力是重量(w)，重量测量作用在物体上的重力。它等于物体质量(m)乘以9.81m/ ^或32ft/V的重力加速度。当比较作用于相同或相似质量(m)的物体上的力时，通常以 加速度为单位而不是以力为单位来表达(上面所述F二ma)。在这些情况下，加速度常常被 表达为重力加速度的倍数或者多个g。因此，可以说物体经受80-g的力，或者等于80 倍重力的力。通常认为较大的力比较小的力对物体产生更大的损害。 在两个物体可能碰撞的任何活动中，通常的做法是利用设计为用于管理碰撞能量 并用于使由碰撞造成的对冲击物体的损害最小化的保护结构或材料。测试这些保护系统有 效性的通常方法是将已知的力(F)传递到保护结构或材料的一侧并且测量通过系统传递 给另一侧的力。这常常通过落锤试验(drop test)来实现。在这类试验中，冲击物 体自给定高度掉落至固定表面，该固定表面适于记载由冲击物体传递到其上的力。冲击表 面通常是钢板，其下附有力环，该力环能够记载传递给板的力并且将代表力的信号传递 给数据捕集系统，数据捕集系统通常为被编程的计算机。钢板和力环的组合被称为测力 板。因此，保护系统的有用的比较涉及将能量管理系统或材料设置在测力板上、将冲击质 量掉落在系统或材料上、并记载通过系统或材料传递给测力板的作为时间的函数的力。 固定质量的物体掉落的高度越高，其在冲击前得到的速度就越高，并且其所具有 的传递到受冲击表面的动能也就越多。冲击的随时间变化的力表示为力/时间曲线，诸如 附图中的图l所示的曲线。 需要注意的是，具有相同质量和相同冲击速度的所有物体都具有相同量的能量。 保护结构或材料管理能量的方式将决定力/时间曲线的形状。对于以给定速度冲击的给定 物体，不管曲线的形状如何，力/时间曲线下部的面积-就是所熟知的冲量(I)将是相同 的。然而，那个曲线的形状是力的轮廓的表征，力的轮廓根据所使用的能量管理系统可能变 化很大。通常，当管理冲击时，所达到的峰值力的水平可被认为是能量管理系统功效的最关 键指标。B.作为冲击吸收材料的泡沫 用于保护物体不受冲击力的一种最常见的材料是泡沫。固体泡沫形成一类重要的 轻质多孔工程材料，并且用于常出现冲击的许多应用中，诸如体育运动(例如，防护头盔) 和汽车应用(例如，仪表盘覆盖物)。泡沫最普遍的定义是含有比较高容积百分数的小孔并 且由流体或固体中的陷入气泡所形成的物质。这些孔允许泡沫在冲击下塑性变形，并且在 材料被压縮时耗散冲击能量。通常，泡沫通过将力在大的面积上传播并通过延长冲击发生 的距离和时间来减少冲击压强，并从而降低被传递的力的水平。 虽然几十年来在冲击保护方面泡沫已经成为主流，但是对于它们的能量管理能力 来说，它们完全依赖材料变形。这存在两方面的重大局限。 首先，依赖材料特性严重地限制了泡沫的适应性。泡沫可定制成用于通过改变泡 沫的密度或几何构形(厚度)来最优地响应仅非常具体范围的冲击能量，但是泡沫不能使 其响应适应大范围的冲击能量。这可导致泡沫的功能能力与冲击能量不匹配，从而使得泡 沫对于冲击来说要么太软，要么太硬。对于冲击来说太软(密度不够)的泡沫会十分 迅速地压縮或达到最低点并且将过多的力传递给受冲击的主体。对于冲击来说太硬(密 度过大)的泡沫会压縮得不够并且会过快地使受冲击的主体减速。 当泡沫在冲击下变得被完全压縮时，它就起到刚体的作用并且失去其吸收能量的 能力。在泡沫被完全压縮之后剩余的冲击能量通过泡沫被直接传递给受冲击的主体。对于 一定冲击来说太软的泡沫会压縮得过于迅速，这使得大的力被传递给受冲击的主体并且实 际上縮短冲击发生的作用距离和时间。在附图的图2中示出对于一定冲击来说太软的泡沫 的力/时间曲线 在冲击的初始阶段，泡沫并没有使物体充分地减速，并且这通过图2中的力/时间 曲线上的自0到0. 0075秒的、力仅仅逐渐增大的早期线段表示出来。接着，自0. 0075到 0.0125秒的时间周期期间，泡沫迅速压縮并且达到最低点，在该点上在短距离和时间内发 生减速，正如图2中曲线的尖峰。这个曲线表明多数减速发生在短暂的时间周期和距离内， 从而传递了高峰值力，这对受冲击主体来说损害最大。此外，软泡沫局部压縮的潜能减小了 力可能被传递的面积，从而潜在地增大冲击的压强和损害。由于在小的面积内达到最低点 的潜在灾难性后果，所以软泡沫不能用于可能涉及中级或高级能量冲击的情形中。 相反地，对于一定冲击来说泡沫也可能太硬(太密)。如果泡沫太硬，则在冲击的 早期阶段就会存在过多抵抗，并且压縮得不够(压下(ride-down)得不够)以至不能延长 冲击的距离或时间。因此，它使物体突然停止，如在附图的图3中所示的力/时间曲线中持 续升至大峰值力的陡峰。这点对于图3中标示为试验l的曲线来说是最为明显的。 这些致密泡沫主要起着扩散冲击面积并降低面积上的压强的作用，但是仍然能够 导致大的压力。致密泡沫的另一问题在于，潜在的高回弹，其中，泡沫临时存储压縮中的冲 击能量，然后依靠回弹再将其传本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于保护主体不受冲击的保护结构，包括：　　　　由相对柔性的材料制成的内层，所述内层具有多个间隔开的开口，所述开口在所述内层的相对面之间延伸；　　　　对应的多个保护单元，每个保护单元都包括可溃缩的、流体密封的壳体和在所述壳体的壁中的至少一个孔，一定量的流体填充在所述壳体中，所述孔响应于作用在所述结构上的冲击而以选定速率抵抗性地从所述壳体排出流体，所述多个保护单元容纳在所述多个开口中，使得所述壳体的自第一层的一个面突出的对应的第一区段共同形成中间层，以及　　　　所述内层和每个保护单元上的配合表面，所述配合表面用于将每个保护单元保持在所述内层的对应的开口中。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2007-3-22 11/689,541一种用于保护主体不受冲击的保护结构，包括由相对柔性的材料制成的内层，所述内层具有多个间隔开的开口，所述开口在所述内层的相对面之间延伸；对应的多个保护单元，每个保护单元都包括可溃缩的、流体密封的壳体和在所述壳体的壁中的至少一个孔，一定量的流体填充在所述壳体中，所述孔响应于作用在所述结构上的冲击而以选定速率抵抗性地从所述壳体排出流体，所述多个保护单元容纳在所述多个开口中，使得所述壳体的自第一层的一个面突出的对应的第一区段共同形成中间层，以及所述内层和每个保护单元上的配合表面，所述配合表面用于将每个保护单元保持在所述内层的对应的开口中。2. 如权利要求1所述的保护结构，其中，所述配合表面适于将所述多个保护单元可拆卸地保持在所述多个开口中。3. 如权利要求1所述的保护结构，还包括相对刚性的外层，所述外层大体平行于所述内层延伸并且与所述壳体的第一区段接合。4. 如权利要求3所述的保护结构，其中，所述第三层构成轮廓外壳；所述内层和中间层共同形成配合在所述外壳内的轮廓子系统，并且固定装置用于将所述子系统固定至所述外壳。5. 如权利要求1所述的保护结构，其中，每个保护单元还包括从同一保护单元的对应的第一壳体区段延伸的第二壳体区段，所述第二壳体区段自所述内层的另一个面突出，使得所有保护单元的第二壳体区段共同形成所述保护结构的舒适的内衬。6. 如权利要求5所述的保护结构，其中，每个保护单元的第二壳体区段都是所述保护单元的第一壳体区段的延伸。7. 如权利要求5所述的保护结构，其中，每个保护单元的第二壳体区段都是所述保护单元的第一壳体区段的镜像。8. 如权利要求5所述的保护结构，其中，每个保护单元的第二壳体区段都包括波纹管壳，所述波纹管壳联结到同一保护单元的对应的第一壳体区段以形成具有径向法兰的复合单元。9. 如权利要求8所述的保护结构，其中，所述配合表面由所述径向法兰和容纳所述保护单元的开口的边缘构成。10. 如权利要求8所述的保护结构，其中，所述波纹管壳和每个保护单元的对应的第一区段在对应的法兰处通过射频焊接联结起来。11. 如权利要求1所述的保护结构，其中，每个保护单元的第一壳体区段包括一对大体为截头圆锥形的侧壁，所述侧壁背对背连接以便在它们之间限定出钝角，所述侧壁自它的保护单元的配合表面延伸至对应的第一壳体区段的端壁。12. 如权利要求ll所述的保护结构，其中，每个保护单元的第二壳体区段包括与同一保护单元的对应的第一壳体区段流体连通的波纹管壳。13. 如权利要求12所述的保护结构，其中，所述波纹管壳含有可压縮的弹性体。14. 如权利要求1所述的保护结构，其中，每个保护单元的第一和第二壳体区段具有相同的横截面积。15. 如权利要求1所述的保护结构，其中，每个保护单元的第一和第二壳体区段具有不同的横截面积。16. 如权利要求1所述的保护结构，其中，每个壳体都通过分片模具注射模制而成，以便整体上具有大公差的壁厚。17. 如权利要求1所述的保护结构，其中，每个壳体都具有大公差的壁厚，所述壁厚随着在壳体中的位置而改变。18. 如权利要求1所述的保护结构，...

【专利技术属性】
技术研发人员：VR菲拉拉，
申请(专利权)人：森尼思有限责任公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]