CN102483124A - 能量吸收和分配材料 - Google Patents

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Abstract

一种包括互连单元框架的能量吸收和传递材料，所述互连单元框架包括：至少一个单元和将该单元连接到至少一个邻近单元的至少一个连接构件，所述至少一个单元具有基部和从基部沿轴线延伸的突出部或圆锥，连接构件大致垂直于该单元的轴线地从基部延伸，其中，框架整体由单一弹性材料构成，或构造成使得当框架由于将单元朝向邻近单元倾斜而扰乱时，该邻近单元朝向该单元倾斜。

Description

能量吸收和分配材料
技术领域
本发明涉及用于承受载荷或吸收冲击或振动的吸收和分配动能的材料。
背景技术
多种材料可用于吸收或消散来自冲击、振动或载荷的能量，要不然这些能量会传递到下方结构或身体。这种材料用在需要这种吸收和消散的多种应用中，例如，用在接触运动的运动设备、建筑材料、隔音材料、座垫或汽车中。
一种普通的冲击吸收设备是由弹性泡沫或橡胶制成的具有均匀厚度的材料板。塑料泡沫板可用作缓冲垫，吸收来自由于材料压缩的载荷或冲击的某些能量，从而较少的能量通过该材料传递到下方的结构。
这些冲击吸收装置有许多缺点。具体来说，这些装置通常依靠压缩作为最重要的原理来减少将来自冲击或载荷的力传递到任何下方结构。因此，吸收来自冲击或载荷的效果很大程度上受冲击吸收材料的厚度及其弹性和密度支配。
所要求的模制件装置内冲击吸收材料的厚度产生了多种不想要的性质。当佩带这种装置时，佩带者的运动范围可能被限制，因为用于有效吸收冲击所要求的材料厚度减少了该装置的柔性。通常使用的材料还通常限于弹性体，进一步减少了柔性。此外，模制件装置的覆盖范围限制了模制件装置与身体之间的空气流动，致使体热不希望地保持。制造重量轻的这种装置的能力还受到根据材料厚度的限制。
这种装置通常仅适于相对小范围的冲击力，因为该材料无法提供该范围外适当的抵抗。在可能有高能量冲击的应用中，薄低密度材料通常无法提供足够的能量吸收。
另一方面，使用密实材料时必须小心，因为如果它们太密实或硬，则可能对下方材料造成伤害或损坏。
因此，在很多应用中，因为对于足够低密度材料，在冲击的情况中提供足够的抵抗所要求的厚度，这些装置倾向于较不柔软或重于所需用的。
有包括结构特征和使用复合材料吸收能量的装置。例如，有包括层叠并通过物理装置、粘合剂或焊接保持在一起的两种不同密度的冲击吸收材料的材料。较软的低密度材料层可呈现对于身体接触更宽大的表面，而较密的、较硬的材料以减小的厚度提供更大抵抗。还有包括复合结构的材料，该复合结构具有粘贴到不同材料的半刚性或刚性衬底上的多个锥形体。
虽然这些装置在塑料泡沫板上具有某些优点，但是这些装置依靠压缩作为减少来自冲击的力的最重要原理。因此，这些装置的效果主要由材料的厚度决定。由于这些装置的效果通常取决于存在于装置中的材料的数量和密度，因此实现轻重量和柔性装置的能力受到限制。
存在着柔性的、重量轻且不庞大的冲击吸收结构的需要，且其根据所施加的力的大小差异地响应。
发明内容
本发明涉及一种包括互连单元框架的能量吸收和传递材料，所述互连单元框架包括：
至少一个单元，所述至少一个单元具有基部和从基部沿轴线延伸的突出部，以及
将所述至少一个单元连接到至少一个邻近单元的至少一个连接构件，所述至少一个连接构件大致垂直于所述轴线地从靠近所述基部的所述至少一个单元延伸，
其中，所述框架整体由单一弹性材料构成。
本发明还涉及一种包括互连单元框架的能量吸收和传递材料，所述互连单元框架包括：
至少一个单元，所述至少一个单元具有基部和从所述基部沿轴线延伸的突出部，
邻近所述至少一个单元的至少一个邻近单元，所述至少一个邻近单元具有第二基部和从所述第二基部沿第二轴线延伸的第二突出部，所述框架静止时，所述第二轴线大致平行于所述轴线，
至少一个连接构件，所述至少一个连接构件将靠近所述基部的所述至少一个单元连接到靠近所述第二基部的所述邻近单元，当所述框架静止时，所述至少一个连接构件大致同时垂直于所述轴线和所述第二轴线地在所述单元之间延伸，
其中，所述至少一个连接构件是弹性的，且当所述框架被扰乱使得所述至少一个单元由于施加到所述突出部的以大于0度且小于90度的角度从所述轴线偏移的力而朝向所述邻近单元倾斜时，所述邻近单元朝向所述单元倾斜。
本发明还涉及上述材料，其中每个所述突出部具有沿所述轴线从所述突出部延伸的尖端，所述尖端的尺寸或形状相同或不同。
本发明还涉及上述材料，其中所述至少一个单元还包括从所述基部延伸的至少一个基部突起，或从所述基部延伸并且间隔开并布置在所述基部上的两个或更多个基部突起。
本发明还涉及上述材料，其中，所述至少一个单元和所述至少一个邻近单元具有不同的密度、不同的形状、或大小，或还包括在框架中靠近所述单元和所述邻近单元的具有与所述单元和所述邻近单元不同的密度、尺寸或形状的至少一个附加单元。
附图说明
现将参考附图并通过示例描述本发明的实施例，附图中：
图1是本发明的一个实施例中的单元的剖视图。
图2是图1的单元的框架的俯视图。
图3是图2所示框架的仰视图。
图4是图2的框架的俯视立体图。
图5是图2的框架的仰视立体图。
图6a是本发明的另一实施例的连接单元的剖视图。
图6b是图6a的单元的框架的俯视图。
图7是本发明的另一实施例中的框架的俯视图。
图8a是根据本发明的单元的剖视图。
图8b是图8a的单元的框架的立体图。
图8c是本发明的另一实施例中，图8a的单元的框架的俯视图。
图8d是本发明的另一实施例中，图8a的单元的框架的俯视图。
图9是根据本发明的另一实施例的单元的侧视图。
图10是本发明的另一实施例的立体图。
具体实施方式
图1示出本发明的一个实施例的一部分。单元1、2包括基部4、5和从基部4、5向上延伸的突出部6、7。邻近单元1、2通过至少一个连接构件3在每个单元1、2的基部4、5处或附近接合在一起以形成框架。
该优选实施例中，每个单元1、2包括定位在突出部的最上部的尖端8、9和从每个基部4、5向下延伸的至少一个基部突起10、11。其它实施例中，可取消尖端、基部突起或同时取消尖端、基部突起。
突出部6、7沿竖直轴线从基部4、5向上延伸。突出部6、7可在载荷下压缩，且还可倾向于在载荷下从竖直定向偏转。所示优选实施例中，突出部6、7是圆锥形的。
该优选实施例中，基部4、5以半球形倒圆角。至少一个基部突起10、11可从每个基部4、5向下延伸以减少单元与任何下方表面之间的接触。基部4、5的形状以及基部突起的定位和形状还可选择成增加某些单元相对于邻近单元倾斜的倾向。
冲击时，单元1、2可都压缩并偏转，由此沿连接构件3消散能量。在载荷下，一些单元倾向于相对于其它邻近单元偏转或倾斜。
任何具体单元1、2的偏转将致使能量通过利用连接构件3和不紧邻单元1、2的其它单元的弯曲或拉伸运动传递到框架中的其它结构单元。连接构件3优选地接合到单元1、2以使得在冲击中能够发生单元的偏转。优选地，连接构件3在基部4、5处或附近接合到单元1、2，且可位于基部4、5和突起6、7会合的地方，由此致使在一个单元偏转或倾斜时，单元和邻近的单元朝向彼此倾斜。
每个单元1、2还可包括定位在突出部6、7的最上部的尖端8、9。通过与表面摩擦接触，当存在冲击时，尖端8、9倾向于偏转以有效地吸收较低能量的震荡力和振动。尖端8、9还可在更高冲击力时辅助突出部6、7的偏转。虽然突出部6、7的高度没必要相同，但优选的是冲击时冲击区域处聚集的所有尖端经历偏转。
尖端8、9可不同地成形或具有与下方突出部6、7不同的密度使得尖端8、9比下方突出部6、7相对地更可能在载荷下变形。例如，如图所示，尖端8、9可以是圆柱形的，放置在圆锥形突出部6、7上。如果尖端8、9经受不笔直向下施加到尖端8、9上的任何载荷，则尖端8、9比圆锥形突出部6、7更可能变形，且通常在该载荷下弯曲。
图2中，单元1、2通过至少一个连接构件3彼此接合并接合到其它单元以形成框架或连接单元网12。突出部6、7的基部可以是圆形的，且突出部7的基部可比突出部6的基部直径大。
优选实施例中，更窄的单元1和更宽的单元2布置成在框架12中彼此交替。单元和邻近的单元的尺寸、形状和密度可以是相同的，或这些特性中的任何一个或所有特性可以不同。
在替代性实施例中，框架中存在尺寸、形状或密度不同的三个或更多个单元。在该替代性实施例中，单元的尺寸、形状和密度可横跨框架变化以适应预期在框架的不同区域中的载荷的不同。例如，在下方结构具有脆弱或敏感区域并具有围绕脆弱区域的更坚固的一个或多个点的应用中，框架可调节成在敏感区域上具有更小或更低密度单元、而在坚固区域上具有更大或更高密度单元。这可用于将施加到整个框架上的载荷集中在更坚固的点上，而相对少地集中在脆弱部分上。
另一示例将使用不同尺寸或形状的单元以更好地偏转更集中的冲击，因为它们将力施加到框架的更小部分上。在预期更集中冲击或载荷的那些区域中可采用更小单元。
单元与邻近单元之间的压缩和偏转特性的不同可导致更敏感地抵抗不同水平的力的框架。更窄单元1可比更宽的邻近单元2更容易地翻到或倾斜。由于尖端8、9的变形吸收一些能量，所以增加尖端8、9可增加框架12的消散能量的附加性能并增加整个框架12的单元1、2的倾斜，由此消散附加的能量。
当单元1和邻近单元2在载荷下朝向彼此倾斜时，当载荷量增加时，单元将进一步偏转一定角度，但也增加压缩。在更大持续不变的载荷下，单元将完全偏转，彼此抵靠、抵靠在连接构件上、或抵靠在下方结构上。在这些情况中，材料起均匀泡沫板作用，从而在持续不变的载荷下持续压缩。优选地，材料是弹性的，从而当移去载荷时，单元回复到其相对于框架的初始位置。
在根据本发明的其它实施例中，不同尺寸的单元可规则地布置在框架中。例如，每一排中，一个大或宽的单元可作为每个第三个、第四个、第五个等单元放置，而所有其它单元更小或更窄。在其它实施例中，不同尺寸的单元可不规则地布置以适应出现在框架的具体位置的预期载荷，或在整个框架上完全随机布置。
在替代性实施例中，突出部6、7，基部4、5，连接构件3，尖端8、9(如果存在的话)中的任何一个或所有，以及基部突起10、11(如果存在的话)可以具有相同或不同的尺寸、形状、密度或材料。
优选的是整个框架使用相同材料。整体使用相同材料是理想的，因为该材料可作为容易地模制或成形为单个连续板，由此使得其更容易制造。在一个实施例中，材料可在注模或压模中模制。
而且，虽然优选的是整个框架12使用相同的材料，但是在每个不同结构单元中的材料密度可控制地彼此不同以改变抗冲击属性。如同尺寸，使框架12中的密度交替可由于压缩和偏转特性之间的不同而获得对施加的力的更宽范围的响应。在其它实施例中，突出部6可比突出部7具有更高或更低的密度，尖端8可比突出部6具有更高或更低的密度，和/或尖端8可比尖端9具有更高或更低的密度。在该实施例中，能够通过在要求更高密度的那些点中将相对更多的材料注入模具中来改变框架的某些构件的密度。
例如，在具有单元和具有比邻近单元高的密度的相应尖端的实施例中，更高密度单元相对更刚硬，且可以更可能在初始载荷下倾斜。随着载荷增加，随着相对更密单元翻转，更软单元将以压缩承受载荷，直到更密单元尖端完全偏转。一旦完全偏转，相对密单元也将以压缩承受载荷，由此对所增加的载荷提供额外的抵抗。在该示例中，该材料能够根据单元框架的不同密度和具体结构来非线性地响应一定范围的载荷或变化的载荷。单元的尺寸、形状和密度可定制成适合多种不同的潜在载荷曲线。
图3示出从底部观察时，框架12中结构单元的布置。每个单元可独立地具有一个或多个基部突起10、11。此外，基部突起10、11尺寸可变化。基部突起10、11可布置成使得单元相对更可能相对于邻近单元偏转或倾斜。这可通过在单元上围绕基部以方形、三角形或其它规则多边形排列布置多个基部突起以提供相对稳定平台、和在邻近单元上布置单个或不规则排列的基部突起以提供不稳定平台来实现。
图2和图3还示出围绕每个单元1、2以90度布置的四个连接构件3，由此得到以方形网格组织的框架。在本发明的其它实施例中，可通过不同数量的连接构件将单元接合在一起，且连接到具体结构单元的连接构件可以不同角度彼此偏移。在该实施例中的框架可以是不同几何排列，例如，三角形或六边形网格。
图4示出相同实施例的框架的顶部结构。冲击时，尖端8、9可衰减振动并致使框架通过冲击力协同运动。在更大力时，一个或一组单元1、2将抵抗连接构件3弯曲，其将致使能量沿这些连接构件分散或消散。
如图5所示，基部4、5优选地倒圆角以形成半球形结构以最小化与框架下方的下层接触表面(未示出)的接触。基部4、5的半球形形状可允许穿过该框架的空气流最大化并增强单元1、2相对于彼此翻倒和滚动的能力。
基部突起10、11还可进一步最小化框架12与接触表面之间的接触。当以此方式构造时，基部4、5还可通过压缩来帮助吸收冲击以允许连接构件在垂直向下力下更多的弯曲。该弯曲同时吸收和扩散穿过框架的能量。
突出部可以是能够承受载荷的任何形状。在其它实施例中，突出部可形成成用于以压缩承受载荷的任何合适形状或多种形状，诸如截头锥形、半球体、卵形、圆柱形、任何多面体、或朝向顶部逐渐变细的任何形状。
例如，图6a示出本发明的另一实施例，其中突出部形状不同。单元101包括倒转环形槽基部104，该基部104连接到从底部106开口的圆锥形突出部。当力施加到突出部106时，单元101可不对称地压缩。单元101通过基部104的弯曲和拉伸运动将冲击能量通过连接构件103传递到其它单元。
图6b示出图6a中的单元如何接合在框架112中的一个示例。应注意，对于连接到单元的连接构件，有很多种构造。在图6b中，每个连接构件113连接到以90度分开的四个单元，呈现一个连接构件与另一个连接构件“交叉”的外观。
图7示出可在框架212中接合在一起的单元，其中连接构件203在每个单元上以60度分开。由此，连接构件203在三个轴线150、160、170上对齐。在其它实施例中，连接到每个单元的连接构件数量可不同，且连接到具体结构单元的连接构件可以不同角度彼此偏移。
回到图7，连接构件203可在与单元连接处逐渐变细。在其它实施例中，可根据应用和所需的特性以其它方式改变连接构件的尺寸。例如，连接构件的长度和/或厚度或直径可根据所需的特性改变。虽然更厚、更短的连接构件可用于更有效地传递能量和抵抗更高的冲击，但是，更窄的连接构件可提供更大伸张度和柔性，且所得到的框架还更轻并允许更多空气流。连接构件还可是弯曲的、或在一端或两端同时逐渐变细。还可能密度不同。此外，在具体框架中可使用不同连接构件的混合以将力引导到框架的具体区域。
图8a示出根据本发明的单元的另一实施例。单元301包括环形基部305，其中，突出部306包括从基部305突出的多个支撑件316。尖端308在多个支撑件316在由基部305画出的环内交叉的交叉部处。
在图8b中，单元301的多个支撑件316形成在基部305上方的半球形突出部306。尖端308在突出部306的顶部处悬置，多个支撑件316在该处交叉。
图8c示出图8a的单元如何接合以形成框架312。单元301通过在基部305之间的直接接触而接合，而不是通过连接构件接合。在该实施例中，单元301可沿彼此成60度的三个轴线250、260、270布置在框架312中。
单元还可同时通过直接接触和连接构件323、333连接。可存在每个可连接到多个单元的主连接构件323，且还可存在弯曲的第二连接构件333。
图9示出另一可能的单元形状。该单元401中的突出部406包括从环面基部405突出的两个支撑件416。尖端408座落于突出部406的顶点处，两个支撑件416在该顶点处会合。
由于其是柔性的、重量轻、卫生、可定制并拥有连续的抗冲击外形且最大化空气流，所以本发明尤其适于用在诸如头盔、护胸、护胫和垫的运动设备中。对于这些应用，结构单元框架可制成符合具体的三维形状，和/或用上层壳覆盖在一侧或两侧上以预防刺穿力。
如图10所示，根据应用，框架512中的一个或多个单元501可具有可接合到或粘贴到另一材料层的附加突起513。在一种应用中，刚性或半刚性板514可附接到这些附加突起513。
在所示实施例中，某些但不是全部单元501以这样的方式附接，从而当板514抵靠框架512负载时，允许框架512中的一些单元如上所述倾斜和偏转。这种附加突起513可允许板相对于框架滑动。板可被移除或永久地粘贴。
在另一实施例中(未示出)，框架的一些单元的尖端或附加突起粘贴到柔性材料，诸如织物。在载荷下，织物拉伸粘贴到其的单元，从而即使单元离载荷施加点相对远，也使那些单元和其它邻近单元倾斜和偏转。
在另一实施例中，框架可以多个部分粘贴或附接到下层表面，由此允许至少一些单元在载荷下倾斜和偏转。
优选的是整个框架由单种材料制成。该合适的材料是可压缩的，且优选地弹性的。还优选的是使用其密度或压缩特性可变化而不显著损失其弹性性能的材料。合适材料的示例包括弹性体、常用塑料、有机合成橡胶、和泡沫。对于本发明，优选的材料是弹性的闭孔EVA(乙烯-醋酸乙烯酯)泡沫。但是，如果诸如用于连接构件的第一材料和用于单元的不同材料的两种或更多种材料组合，在框架也起作用，其仍然允许邻近单元在载荷下倾斜和偏转。
本发明优选地在模具中制成，虽然其可通过机加工、铣削或任何其它合适的工艺制造。还优选的是根据本发明的框架在一个步骤中整体制成。但是，可使用多个步骤来制造它。例如，连接构件和突出部可彼此分开地模制，或可预模制框架的上半部和下半部，并然后粘贴或模制在一起。
如上所讨论的，根据本发明制成的框架可通过多种方式变化，所述方式包括：单元的形状、尺寸、密度、材料以及构造，连接构件的尺寸以及框架内单元的构造和排列。因此，通过在这些变量中进行选择，根据本发明的框架不仅可用作吸收来自冲击和振动的能量的通用装置，而且还可容易地根据具体应用定制。例如，框架可设计成在一具体区域吸收更多能量，和/或将更多能量或力偏转到具体区域或沿具体轴线偏转。
框架还可构造成使得所有单元通过面交叉，该面是平坦的，或是弯曲的以围绕或抵靠三维目标安装。框架的部分可粘合或联接在一起以适应三维形状，或分层时提供额外的衰减力。
由于其特性，本发明可适于许多应用，包括需要载荷承受、振动衰减或冲击力减轻的任何应用。
应理解，上面说明书仅以示例性方式涉及优选实施例。对于本领域的技术人员来说清楚的是实现本发明的系统和方法有多种变型而不脱离本发明的精神，且这种变型在本发明所描述和要求保护的范围内，不管是否已清楚描述。

Claims (27)

1.一种能量吸收和传递材料，包括：
互连单元的框架，所述框架包括：
至少一个单元，所述至少一个单元具有基部和从所述基部沿轴线延伸的突出部，以及
至少一个连接构件，所述至少一个连接构件将所述至少一个单元连接到至少一个邻近单元，所述至少一个连接构件从靠近所述基部的所述至少一个单元大致垂直于所述轴线延伸，
其中，所述框架整体由单一弹性材料构成。
2.一种能量吸收和传递材料，包括：
互连单元的框架，所述框架包括：
至少一个单元，所述至少一个单元具有基部和从所述基部沿轴线延伸的突出部，
邻近所述至少一个单元的至少一个邻近单元，所述至少一个邻近单元具有第二基部和从所述第二基部沿第二轴线延伸的第二突出部，当所述框架静止时，所述第二轴线大致平行于所述轴线，
至少一个连接构件，所述至少一个连接构件将靠近所述基部的所述至少一个单元连接到靠近所述第二基部的所述邻近单元，当所述框架静止时，所述至少一个连接构件大致垂直于所述轴线和所述第二轴线两者在所述单元之间延伸，
其中，所述至少一个连接构件是弹性的，且当所述框架被扰乱从而所述至少一个单元通过施加到所述突出部的以大于0度且小于90度的角度从所述轴线偏移的力而朝向所述邻近单元倾斜时，所述邻近单元朝向所述单元倾斜。
3.如权利要求1或2所述的材料，其中，所述突出部每个具有从所述突出部沿所述轴线延伸的尖端。
4.如权利要求3所述的材料，其中，所述尖端的外表面具有从所述轴线偏离的角度，该角度与相应突出部的外表面的偏离角度不同。
5.如权利要求3所述的材料，其中，所述至少一个单元的尖端大于所述至少一个邻近单元的尖端。
6.如权利要求4或5所述的材料，其中，所述突出部是圆锥形的，且相应尖端包括圆柱或圆锥。
7.如权利要求1或2所述的材料，其中，所述突出部和/或基部是圆锥形的、截头圆锥形的、圆柱形的、卵形的、半球形的或多面体的形状。
8.如权利要求1或2所述的材料，其中，所述连接构件是将单元连接到邻近单元的杆，所述杆沿其长度传递扭矩。
9.如权利要求1或2所述的材料，其中，所述突出部是圆锥形的，在其基部处具有的半径大致等于相应至少一个单元的基部。
10.如权利要求1或2所述的材料，其中，所述至少一个单元还包括从所述基部延伸的至少一个基部突起。
11.如权利要求9所述的材料，其中，所述至少一个单元还包括从所述基部延伸并间隔开且布置在所述基部上的两个或更多个基部突起。
12.如权利要求1或2所述的材料，还包括连接到第一邻近单元的第一连接构件，和连接到第二邻近单元的第二连接构件，其中，当所述框架静止时，所述第一连接构件和第二连接构件平行。
13.如权利要求1或2所述的材料，其中，每个主结构单元沿至少一条或更多条纵向轴线连接到邻近结构单元。
14.如权利要求13所述的材料，其中，所述主结构单元沿两条或更多条纵向轴线连接到邻近结构单元。
15.如权利要求14所述的材料，其中，所述主结构单元沿三条或更多条纵向轴线连接到邻近结构单元。
16.如权利要求1或2所述的材料，其中，所述至少一个邻近单元具有的宽度小于所述至少一个单元的宽度。
17.如权利要求1或2所述的材料，其中，所述至少一个单元和所述至少一个邻近单元具有不同的密度。
18.如权利要求1或2所述的材料，其中，所述至少一个单元和所述至少一个邻近单元具有不同的体积。
19.如权利要求3至6中的任一项所述的材料，其中，所述突出部包括从所述基部延伸以支撑所述尖端的多个支撑构件。
20.如权利要求1或2所述的材料，其中，所述基部是环。
21.如权利要求1或2所述的材料，其中，所述至少一个连接构件与所述至少一个单元和所述至少一个邻近单元是一体的，由此允许所述至少一个单元和所述至少一个邻近单元直接接触。
22.如权利要求1或2所述的材料，其中，所述材料由弹性泡沫、聚合物或弹性体，或天然橡胶制成。
23.如权利要求22所述的材料，其中，所述材料由疏水的闭孔泡沫制成。
24.如权利要求1或2所述的材料，其中，所述单元通过平面或曲面交叉。
25.如权利要求24所述的材料，其中，所述单元在所述面上规则地间隔开。
26.如权利要求25所述的材料，其中，所述框架的所述单元布置成方形网格或三角形网格。
27.如权利要求1或2所述的材料，其中，还包括所述框架中靠近所述单元和所述邻近单元的至少一个附加单元，所述至少一个附加单元具有与所述单元和所述邻近单元两者不同的尺寸、形状或密度。
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