CN105190220B - 一种用于防冲击载荷的系统 - Google Patents

一种用于防冲击载荷的系统 Download PDF

Info

Publication number
CN105190220B
CN105190220B CN201480013119.0A CN201480013119A CN105190220B CN 105190220 B CN105190220 B CN 105190220B CN 201480013119 A CN201480013119 A CN 201480013119A CN 105190220 B CN105190220 B CN 105190220B
Authority
CN
China
Prior art keywords
micro
node
truss
truss framework
pillar
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201480013119.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105190220A (zh
Inventor
T·A·舍德勒
A·J·雅各布森
Z·C·埃克尔
S·S·杨
A·E·索伦森
J·M·哈德利
W·卡特
J·江
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
HRL Laboratories LLC
Original Assignee
HRL Laboratories LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by HRL Laboratories LLC filed Critical HRL Laboratories LLC
Publication of CN105190220A publication Critical patent/CN105190220A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105190220B publication Critical patent/CN105190220B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B3/00—Layered products comprising a layer with external or internal discontinuities or unevennesses, or a layer of non-planar shape; Layered products comprising a layer having particular features of form
    • B32B3/10—Layered products comprising a layer with external or internal discontinuities or unevennesses, or a layer of non-planar shape; Layered products comprising a layer having particular features of form characterised by a discontinuous layer, i.e. formed of separate pieces of material
    • B32B3/12—Layered products comprising a layer with external or internal discontinuities or unevennesses, or a layer of non-planar shape; Layered products comprising a layer having particular features of form characterised by a discontinuous layer, i.e. formed of separate pieces of material characterised by a layer of regularly- arranged cells, e.g. a honeycomb structure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F7/00—Vibration-dampers; Shock-absorbers
    • F16F7/12—Vibration-dampers; Shock-absorbers using plastic deformation of members
    • F16F7/121—Vibration-dampers; Shock-absorbers using plastic deformation of members the members having a cellular, e.g. honeycomb, structure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B15/00—Layered products comprising a layer of metal
    • B32B15/04—Layered products comprising a layer of metal comprising metal as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B15/00—Layered products comprising a layer of metal
    • B32B15/18—Layered products comprising a layer of metal comprising iron or steel
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B15/00—Layered products comprising a layer of metal
    • B32B15/20—Layered products comprising a layer of metal comprising aluminium or copper
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B27/00—Layered products comprising a layer of synthetic resin
    • B32B27/30—Layered products comprising a layer of synthetic resin comprising vinyl (co)polymers; comprising acrylic (co)polymers
    • B32B27/302—Layered products comprising a layer of synthetic resin comprising vinyl (co)polymers; comprising acrylic (co)polymers comprising aromatic vinyl (co)polymers, e.g. styrenic (co)polymers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B27/00—Layered products comprising a layer of synthetic resin
    • B32B27/32—Layered products comprising a layer of synthetic resin comprising polyolefins
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B27/00—Layered products comprising a layer of synthetic resin
    • B32B27/34—Layered products comprising a layer of synthetic resin comprising polyamides
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B27/00—Layered products comprising a layer of synthetic resin
    • B32B27/36—Layered products comprising a layer of synthetic resin comprising polyesters
    • B32B27/365—Layered products comprising a layer of synthetic resin comprising polyesters comprising polycarbonates
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B5/00—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts
    • B32B5/18—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts characterised by features of a layer of foamed material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B9/00—Layered products comprising a layer of a particular substance not covered by groups B32B11/00 - B32B29/00
    • B32B9/005—Layered products comprising a layer of a particular substance not covered by groups B32B11/00 - B32B29/00 comprising one layer of ceramic material, e.g. porcelain, ceramic tile
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B9/00—Layered products comprising a layer of a particular substance not covered by groups B32B11/00 - B32B29/00
    • B32B9/04—Layered products comprising a layer of a particular substance not covered by groups B32B11/00 - B32B29/00 comprising such particular substance as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60N—SEATS SPECIALLY ADAPTED FOR VEHICLES; VEHICLE PASSENGER ACCOMMODATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B60N3/00—Arrangements or adaptations of other passenger fittings, not otherwise provided for
    • B60N3/04—Arrangements or adaptations of other passenger fittings, not otherwise provided for of floor mats or carpets
    • B60N3/048—Arrangements or adaptations of other passenger fittings, not otherwise provided for of floor mats or carpets characterised by their structure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F41—WEAPONS
    • F41H—ARMOUR; ARMOURED TURRETS; ARMOURED OR ARMED VEHICLES; MEANS OF ATTACK OR DEFENCE, e.g. CAMOUFLAGE, IN GENERAL
    • F41H5/00—Armour; Armour plates
    • F41H5/007—Reactive armour; Dynamic armour
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F41—WEAPONS
    • F41H—ARMOUR; ARMOURED TURRETS; ARMOURED OR ARMED VEHICLES; MEANS OF ATTACK OR DEFENCE, e.g. CAMOUFLAGE, IN GENERAL
    • F41H5/00—Armour; Armour plates
    • F41H5/02—Plate construction
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2307/00—Properties of the layers or laminate
    • B32B2307/50—Properties of the layers or laminate having particular mechanical properties
    • B32B2307/558—Impact strength, toughness
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2307/00—Properties of the layers or laminate
    • B32B2307/70—Other properties
    • B32B2307/718—Weight, e.g. weight per square meter
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2571/00—Protective equipment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2571/00—Protective equipment
    • B32B2571/02—Protective equipment defensive, e.g. armour plates or anti-ballistic clothing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2605/00—Vehicles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F41—WEAPONS
    • F41H—ARMOUR; ARMOURED TURRETS; ARMOURED OR ARMED VEHICLES; MEANS OF ATTACK OR DEFENCE, e.g. CAMOUFLAGE, IN GENERAL
    • F41H7/00—Armoured or armed vehicles
    • F41H7/02—Land vehicles with enclosing armour, e.g. tanks
    • F41H7/04—Armour construction
    • F41H7/042—Floors or base plates for increased land mine protection

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Laminated Bodies (AREA)

Abstract

本发明公开了压缩加载时具有改进的能量吸收性能的结构化材料。在多个实施例中，这种材料由微桁架结构形成，该微桁架结构由在第一表面和第二表面之间的空间中互相贯通的管子构成。对于施加到该两个表面的压缩载荷，这些结构的应力‑应变响应通过将部分而不是全部管子延伸到两个表面、调节该结构中的重复晶胞的层数、将节点布置成从沿着正交于表面的线的对齐偏移或者包括多个联锁的微桁架结构制造。

Description

一种用于防冲击载荷的系统
关于联邦资助的研发情况
本发明是由美国国防部高级研究计划局(DARPA)国防科学办公室根据合同No.W91CRB-11-C-0112在美国政府支持下完成的。美国政府享有本发明的权利。
相关申请的交叉引用
在美国专利No.7,382,959(“Optically oriented three-dimensional polymermicrostructures”)、美国专利No.8,353,240(“Compressible fluid filled micro-trussfor energy absorption”)和申请日为2007年5月10日的美国专利申请No.11/801,908、申请日为2008年1月11日的美国专利申请No.12/008,479、申请日为2008年3月5日的美国专利申请12/074,727、申请日为2008年3月6日的美国专利申请No.12/075,033以及申请日为2009年6月1日的美国专利申请No.12/455,499中已经对将金属晶格(桁架)材料用于能量吸收应用的用途做了讨论，上述文件作为参考在本发明中全文引用。多种微桁架结构和制造微桁架结构的方法已在现有文件中做了描述，例如，美国专利申请No.12/455,449公开了制造具有固定面积的微桁架结构的方法、美国专利申请No.12/835,276公开了根据连续过程(例如，任意长度的条带)连续制造微桁架结构的方法以及美国专利No.8,353,240中公开了用于能量吸收的可压缩流体填充的微桁架。上述交叉引用申请中的每一个都通过引用其全文的方式被合并在本发明中。
技术领域
下述说明涉及能量吸收材料，更具体地，涉及用于减少爆炸和冲击的损伤的周期性、顺序排列的具有增强的能量吸收能力的微桁架结构的多孔材料。
背景技术
能量吸收材料广泛用于保护人员和货物免受冲击和压力的损伤。在冲击或爆炸事件中，这些材料应当通过最大量地吸收能量而将冲击载荷降低到损伤阀值水平以下，不会传递超过损伤阀值的能量。汽车、体育运动和防御行业中的例子包括碰撞减震器、头盔护具和爆炸减轻鞋垫。根据不同的应用，需要能量吸收材料具有不同的性能特征。损伤标准或损伤阀值σth确定了可接受的、穿过能量吸收材料的最大应力σtr，即，为防止损伤应当使σtr<σth。对于直接与人体接触的能量吸收材料，上述能量损伤标准基本上近似于1MPa。
多孔材料多用做能量吸收材料，因为他们可以吸收压缩能量。一次性的能量吸收材料可以为金属材料，包括闭合或开孔泡沫和压碎蜂窝；具有可逆性的多用途能量吸收材料为典型的聚合物，包括闭合或开孔粘弹性泡沫和热塑性聚氨酯(TPU)双半球。晶格结构可以由聚合物或金属材料组成，并且可以由实心或者中空的构件(支柱、晶格)周期性排列而成。
图1是描述能量吸收材料的理想表现的示意图。在低应力下，应变随着应力线性变化，达到例如1MPa的应力。在阀值应力处，材料应变在大体上恒定的应力下迅速增加，并且该材料吸收能量。最终，当该材料达到称为密实化的高应变时，应力在此增加。给定材料结构的最大的可能能量吸收量可以计算为峰值应力与100％应变的乘积。
现实材料通常偏离于上述理想响应，并且具有较低的吸收效率。图2描述了具有高结构对称性和内部联通的晶格或桁架结构的典型表现。在此，达到最高初始应力(在图2中标记为Max.传递应力)后，该应变在较低应力水平时增长，相对于图1中所示的理想情形，能量吸收中产生损失。一般认为这是由于具有高对称性和内部连通性的结构中单个点上的屈曲开始将会触发整个所述结构的屈曲，从而导致瞬间的负载承载能力损失和能量吸收效率降低。在这种情况下，密实化应变被定义为在初始应力值的峰值处应力-应变曲线与水平线相交处的应变。被吸收的能量体积被计算为应力-应变曲线下侧、0％应变与密实化应变之间的区域的面积。材料的能量吸收效率被计算为吸收的能量体积与最大可能能量吸收体积的比。
图3示出了各种类型的泡沫铝用作能量吸收材料的典型压缩应力-应变响应。该材料具有近似平台的应力-应变曲线，没有显示出软化前初始应力峰值的非理想表现。但是，因为应力以大约30％的增长率增长，使得这种材料具有低密实化应力，从而将能量吸收效率限制为约35％。图4示出了铝蜂窝能量吸收材料的压缩应力-应变响应。这种情况中，该材料显示出软化前大的初始应力峰值，从而使得它的能量吸收效率约为34％。图5示出了双半球能量吸收材料的压缩应力-应变响应。初始应力峰值之后，材料显示出软化，导致它的能量吸收效率约为47％。
具有桁架或晶格的某些材料具有厚度方向上的恒定结构参数，即，桁架或晶格结构的能量吸收方向。在这些材料中，高结构对称性和内部构件之间分离的缺乏导致同时屈曲和载荷转移能力急剧损失，如图2所示。这种情况使得当与压紧相关的应力水平降低到峰值以下时该材料的能量吸收效率降低。图6显示了没有增强结构的典型中空金属微晶格结构的压缩应力-应变响应。它示出了软化前的大应力峰值，以及附加应力峰值。能量吸收效率约为15％-30％。
因此，既需要具有固有结构的微桁架或晶格结构和该结构的低规模效益，还需要提高能量吸收响应。
发明内容
本发明的实施例方面涉及压缩加载时具有优异能量吸收特性的结构化材料。在多个实施例中，这种材料由在第一表面和第二表面之间互相贯穿的管子构成的微桁架结构形成。对于施加到这两个表面的压缩荷载，这些结构的应力-应变响应通过安排一些管子而非全部管子同时延伸到两个表面、调节该结构中的重复晶胞的层数、布置节点沿着正交于表面的线从对准偏移或者包括多个联锁微桁架结构的方式制造。
根据本发明的一个实施例提供了一种用于防冲击载荷的系统，所述冲击载荷由于冲击和爆炸产生，该系统包括：第一微桁架架构，其中该微桁架架构被构造为在1-20m/s冲击速度的动态荷载下传送0.3-7MPa范围内的近恒定压力时具有大于50％的体积减小。
在一个实施例中，第一微桁架架构包括：彼此平行的第一表面和第二表面，该第一表面和第二表面之间具有一定距离，从而限定了该微桁架架构的厚度；沿多个非垂直方向延伸的多个成角度的支柱，该多个成角度的支柱中的每一个都具有在第一表面上的第一端部、和第二端部；多个节点，沿多个方向延伸的多个成角度的支柱在该多个节点处互相贯通；该多个成角度的支柱和多个节点限定多个晶胞，每个晶胞具有设置在多个节点之间的上节点、设置在多个节点之间的下节点、和晶胞高度，该晶胞高度为上节点和下节点之间的距离，其中每个成角度的支柱的第二端部位于距离第二表面最近但与该第二表面仍有一定距离的下节点上；和以法线方向从第一表面延伸至第二表面上的立柱，该立柱具有位于第一表面上的第一端部和穿过与第二表面距离最近的下节点延伸至第二表面的第二端部。
在一个实施例中，第一表面和第二表面之间只有一层晶胞。
在一个实施例中，第一表面和第二表面之间至少有两层晶胞。
在一个实施例中，微桁架架构由从以下材料构成的组中选择的材料制成：镁、铝、钛、铬、铁、钴、镍、铜、锌及其合金、聚碳酸酯、芳族聚酰胺、耐冲击聚苯乙烯、尼龙、超高分子量聚乙烯、聚(对苯二亚甲基)及其组合。
在一个实施例中，该系统为车辆内的脚垫或地板垫的一部分。
在一个实施例中，第一微桁架架构包括第一表面和第二表面，还包括在第一表面上的面板，其中所述面板被构造为在操作期间防止微桁架变形、帮助减震并在爆炸时包裹被保护对象。
在一个实施例中，微桁架架构包括第一表面和第二表面，还包括在第一表面上的面板，其中所述面板包括从由以下材料构成的组中选择的板材：聚合物泡沫、橡胶状聚合物、金属及其组合。
在一个实施例中，第一微桁架架构包括：第一表面和第二表面，该第一表面和第二表面彼此平行且该第一表面和第二表面之间具有一定距离，从而限定该微桁架架构的厚度；沿多个非垂直方向延伸的多个成角度的支柱，每个成角度的支柱具有在第一表面上的第一端部、和第二端部；多个节点，沿多个方向延伸的多个成角度的支柱在该多个节点处互相贯通；该多个成角度的支柱和多个节点限定多个晶胞，每个晶胞具有在多个节点之间的上节点、在多个节点之间的下节点、和晶胞高度，晶胞高度为上节点和下节点之间的距离，其中多个成角度的支柱中的每一个的第二端部经过最靠近第二表面的下节点延伸至第二表面上；和在法线方向上从第一表面延伸的立柱，该立柱具有在第一表面上的第一端部和设置在与第二表面距离最近但与第二表面仍有一定距离的下节点上的第二端部。
在一个实施例中，第一微桁架架构包括：第一表面和第二表面，该第一表面和第二表面彼此平行且该第一表面和第二表面之间具有一定距离，从而限定该微桁架架构的厚度；沿多个非垂直方向延伸的多个成角度的支柱，每个成角度的支柱具有在第一表面上的第一端部、和第二端部；多个节点，沿多个方向延伸的多个成角度的支柱在该多个节点处互相贯通；该多个成角度的支柱和多个节点限定多个晶胞，该多个晶胞中的每一个具有在多个节点之间的上节点、多个节点之间的下节点、和晶胞高度，该晶胞高度为上节点和下节点之间的距离，其中至少四个晶胞在微桁架架构的厚度方向上彼此堆叠。
在一个实施例中，微桁架架构由从由以下材料构成的组中选择的材料制成：镁、铝、钛、铬、铁、钴、镍、铜、锌及其合金、聚碳酸酯、芳族聚酰胺、耐冲击聚苯乙烯、尼龙、超高分子量聚乙烯、聚(对苯二亚甲基)及其组合。
在一个实施例中，该系统为车辆内的脚垫或地板垫的一部分。
在一个实施例中，该系统包括：周期重复的晶胞结构，该晶胞结构具有第一表面和与第一表面平行的第二表面并且限定了周期重复的晶胞的高度，该周期重复的晶胞结构包括：具有第一晶胞高度的第一晶胞结构；具有第二晶胞高度的第二晶胞结构；具有第三高度的多个立柱，其中第一晶胞结构、第二晶胞结构和多个立柱联锁在第一晶胞结构中，第一晶胞高度与周期重复的晶胞高度相同并且大于第二晶胞高度和第三高度。
在一个实施例中，该系统包括：周期重复的晶胞结构，该晶胞结构具有第一表面和平行于第一表面的第二表面，并且限定了该周期重复的晶胞的高度，该周期重复晶胞结构包括：彼此堆叠的两个第一晶胞结构，第一晶胞结构中的每一个具有约为周期重复的晶胞的高度的一半的第一晶胞高度；具有约为周期重复晶胞的高度的一半的第二晶胞高度的第二晶胞结构；具有低于周期重复的晶胞的高度的第三高度的立柱，其中第一晶胞结构和第二晶胞结构均与立柱相连接。
在一个实施例中，第一微桁架架构包括：具有多个支柱及连接该多个支柱的节点的重复晶胞结构；其中，该多个节点形成穿过该微桁架架构的多个层，并且至少一层节点中的每个节点被构造为位于由重复晶胞结构确定的各自标称位置处或者位于从标称位置移位的各自移位位置处。
在一个实施例中，节点的移位位置是从节点的标称位置移动为两个相邻节点之间的每个支柱长度的0.01-0.5倍的距离。
在一个实施例中，节点的移位位置是从标称位置在与最近的相邻节点的移位方向相反的方向上移动。
在一个实施例中，重复晶胞结构具有三折对称性，并且每个节点位于与上层和下层中的节点中心相对应的位置处。
在一个实施例中，第一微桁架架构包括第一表面和第二表面，并且该系统包括位于第一表面上的面板。
在一个实施例中，该面板包括从由以下材料构成的组中选择的板材：聚合物泡沫、橡胶状聚合物、金属以其组合。
在一个实施例中，该面板被构造为在操作期间防止该微桁架变形、帮助减震以及在爆炸中包裹被保护对象。
在一个实施例中，该系统包括：至少具有相同结构化参数的另一个微桁架架构堆叠在第一微桁架架构上。
在一个实施例中，该系统是车辆内的脚垫或地垫的一部分。
在一个实施例中，该系统被构造为具有为0.5-1.5MPa的最大传输应力。
在一个实施例中，该系统是车辆的车身底板或侧面板的一部分；该系统进一步包括钢板；和该系统被构造为具有1-7MPa的最大传输应力。
在一个实施例中，该系统被包括在头盔中的填料中或者防弹衣中的创伤削弱衬垫中，并且该系统被构造为具有为0.3-1.5MPa的最大传输应力。
在一个实施例中，该系统包括流体，其中该微桁架架构具有孔和空心管，并且该微桁架架构被构造为使流体通过孔和空心管流动以为车辆、头盔或防弹衣应用输送热量。
在一个实施例中，该系统是荷载承载结构元件的一部分。
在一个实施例中，该微桁架架构由金属材料制成。
在一个实施例中，所述金属从由以下材料构成的组中选择：镁、铝、钛、铬、铁、钴、镍、铜、锌及其组合与合金。
在一个实施例中，微桁架架构包括聚合物材料。
在一个实施例中，聚合物从由以下材料构成的组中选择：聚碳酸酯、芳族聚酰胺、耐冲击聚苯乙烯、尼龙、超高分子量聚乙烯、聚(对苯二亚甲基)及其组合。
附图说明
图1是理想能量吸收材料的压缩应力-应变表现示意图；
图2是具有高结构对称性和内部连通性的晶格或桁架结构的压缩应力-应变表现的示意图并且限定了所使用的术语；
图3示出了用作能量吸收材料的商用铝泡沫的准静态应力-应变性能；
图4示出了用作能量吸收材料的商用蜂窝材料的压缩应力-应变性能；
图5示出了商用聚氨酯双半球材料爆炸防护垫的压缩应力-应变性能；
图6示出了不包含增强结构的中空金属微桁架材料的压缩应力-应变性能；
图7a是根据本发明的一个实施例的具有延伸穿过下节点的立柱的中空镍微桁架的立体图片；
图7b是根据本发明的一个实施例的具有穿过下节点的立柱的中空镍微桁架的侧视图片；
图8a是图7a和7b中所示的微桁架架构的一个实施例的照片和准静态侧视结果；
图8b是具有双半球结构的商用能量吸收材料的照片和准静态测试结果；
图8c示出了根据本发明的一个实施例堆叠的两个结构以及所产生的应力-应变响应的示例性实施例；
图9a是根据本发明的一个实施例的具有仅穿过一个晶胞延伸的立柱的示例性1.5倍晶胞高的中空微桁架的侧视图片；
图9b是根据本发明的一个实施例的具有仅穿过一个晶胞延伸的立柱的示例性1.5倍晶胞高的中空微桁架的俯视图片；
图10示出了在图9a和9b中所示的结构上进行压缩测量的应力-应变曲线；
图11a是根据本发明的一个实施例的约5个晶胞高的示例性标准无电镀镍八面体空心微桁架的立体图片；
图11b是根据本发明的一个实施例的约5个晶胞高的示例性标准聚(对苯二亚甲基)聚合物八面体空心微桁架的立体图片；
图11c是图11b的聚(对苯二亚甲基)聚合物八面体空心微桁架的放大立体图片；
图12示出了对图11b和11c中所示的聚(对苯二亚甲基)结构进行压缩测量的应力-应变曲线；
图13a显示根据本发明的一个实施例的具有周期重复的联锁晶胞结构的微桁架架构的组装视图和分解视图；
图13b示出了图13a的实施例在1m/s动态压缩下的模拟应力-应变响应；
图14a示出了根据本发明的一个实施例的具有联锁的晶胞结构的微桁架架构的组装视图和分解视图；
图14b示出了图13a的实施例在1m/s动态压缩下的模拟应力-应变响应；
图15a示出了爆炸前与柔性面板结合的基于微桁架的能量吸收器；
图15b示出了爆炸期间与柔性面板结合的基于微桁架的能量吸收器；
图16示出了根据本发明的一个实施例的与钢板结合的基于微桁架的能量吸收器；
图17是根据本发明的一个实施例的包含通过开口胞状结构冷却的气流的基于微桁架的防弹衣的示意图；
图18是根据本发明的一个实施例的示例性微桁架结构的示意性横截面图；
图19a是根据本发明的一个实施例的上层全部节点在同一方向移动0.1L的微桁架结构的俯视图；
图19b是根据本发明的一个实施例的上层全部节点移动的微桁架结构的侧视图；
图20a是根据本发明的一个实施例的底层节点移动的微桁架结构的俯视图；
图20b是根据本发明的一个实施例的底层节点移动的微桁架结构的侧视图；
图21a是根据本发明的一个实施例的具有三折对称性的微桁架结构的俯视图，其中同一平面内的所有节点位于上平面内的节点和下平面内的节点之间的中心；
图21b是根据本发明的一个实施例的具有三折对称性的微桁架结构的立体图，其中同一平面内的所有节点位于上平面内的节点和下平面内的节点之间的中心；
图22示出了图19a和19b所示的微桁架结构的模拟应力-应变响应；以及
图23是说明根据本发明的一个实施例的制造微桁架架构的示例性方法的流程图。
具体实施方式
在以下的详细说明中，通过说明的方式仅对本发明的某些示例性实施例做了显示和说明。本领域技术人员应当理解，本发明可以实现为多种不同形式而不应该限制于这里所说明的实施例。同样地，在本申请中，当一个元件被称为在另一个元件“上”时，所述一个元件可以直接地设置在该另一个元件上，或者在它们之间插入一个或多个介入元件而使该一个元件间接地设置在该另一个元件上。相同的附图标记在本说明书中标记相同元件。
贯穿本公开文件，术语“构件”、“支柱”和“波导件”可以互换使用。术语“晶格”与“桁架”可以互换使用。术语“表面”可以是连续的材料表面或者没有连接点的平面。术语“微桁架”指节点到节点的大小在0.5mm到5cm之间的桁架。
本发明的第一实施例
参照图18，本发明的第一实施例为改进的微桁架架构，该微桁架架构包括：第一表面1811和第二表面1812，二者彼此平行且之间具有一定距离，从而限定该微桁架架构的厚度；沿多个非垂直方向延伸的多个成角度的支柱1821，每个成角度的支柱1821具有在第一表面1811上(或者邻接第一表面1811)的第一端部1841、和第二端部1842；多个节点1830，沿多个方向延伸的多个成角度的支柱1821在多个节点1830处相互贯通；多个成角度的支柱1821和多个节点1830限定多个晶胞，每个晶胞具有从多个节点1830中选择的上节点、从多个节点1830中选择的下节点、和晶胞高度，该晶胞高度为上节点和下节点之间的距离；每个成角度的支柱的第二端部1842在与第二表面距离最近但与该第二表面还有一定距离的下节点上，在多个晶胞的每一个中且在法线方向上从第一表面1811延伸的立柱1860具有在第一表面上的第一端部和穿过与第二表面距离最近的下节点延伸至第二表面1812上的第二端部。该微桁架架构的厚度可以近似于一个晶胞高度(例如，一个晶胞高度加上立柱1860的穿过(例如，垂直延伸穿过)下节点延伸至第二表面上的部分1833的长度)，或者可以近似于多个晶胞高度，例如，图18所示的略多于两个晶胞高度。立柱可以延伸穿过与第二表面最近的下节点大约3％到10％的晶胞高度。上述多个成角度的支柱和立柱中的每一个都可以是实心或者中空结构。用来制造微桁架架构的材料可以是金属，例如镁、铝、钛、铬、铁、钴、镍、铜、锌或其合金。也可以使用聚合材料，例如聚碳酸酯、芳族聚酰胺、耐冲击聚苯乙烯、尼龙、超高分子量聚乙烯、聚(对苯二亚甲基)或其组合。在此，在本发明实施例的上下文中，成角度的支柱是指直线支柱，该直线支柱在第一端部处与第一表面形成角度并用于限定第一晶胞(例如，图18中的左上侧的晶胞)的顶部和第二晶胞(例如，图18中右下侧的晶胞)的底部。
在本发明的一个实施例中，多个成角度的支柱中的每一个都具有0.7-1.5mm的直径，立柱具有2.5-4mm的直径。微桁架架构的厚度可以为15-25mm。在图7a和7b所示的本发明的一个示例性实施例中，18mm高的微桁架架构包括一个完整的晶胞并具有直径为1mm的成角度的支柱、直径为3mm的立柱710，立柱710延伸到晶胞的下节点外大约3mm处。成角度的支柱和立柱710由具有中空结构的镍制成。图8a示出了图7a和7b中的样本的压缩应力-应变响应，图8b示出了具有双半球结构的商用能量吸收材料的压缩应力-应变响应。两个曲线都是根据ASTM测试方法C365将5kg重锤从100cm高处落下的落锤冲击测试测得。
本发明第一实施例的微桁架架构的性能还可以通过将多个层彼此堆叠进一步提高。图8c显示了这种结构，将两个图7a和7b所示的微桁架架构在厚度方向上堆叠。可以在两个相邻结构的分界面处使用界面面板。分界面材料可以是金属、陶瓷、聚合物或者复合材料。
本发明的第二实施例
在本发明的第二个实施例中，改进的微桁架架构具有与本发明第一实施例中的结构相似的结构，所不同的是支柱不延伸到最靠近第二表面的节点的下节点之外。相反，多个成角度的支柱中的支柱穿过与第二表面距离最近的下节点并延伸至该第二表面上。这种微桁架架构包括：第一表面和第二表面，该第一表面和第二表面彼此平行且之间具有一定距离，从而限定微桁架架构的厚度；沿着多个非垂直方向延伸的多个成角度的支柱，每个成角度的支柱都具有位于第一表面上(或邻接)的第一端部、和第二端部；多个节点，沿多个方向延伸的多个成角度的支柱在所述多个节点处相互贯通；该多个成角度的立柱和多个节点限定了多个晶胞，每个晶胞具有上节点、下节点和晶胞高度，该晶胞高度为上节点和下节点之间的距离；每个成角度的支柱的第二端部穿过与第二表面距离最近的下节点延伸至第二表面上；在法线方向上从第一表面延伸的立柱具有位于第一表面上的第一端部和位于与第二表面距离最近但与该第二表面有一定距离的下节点上的第二端部，但是该第二端部没有延伸到距离第二表面最近的下节点之外。该微桁架架构的厚度可以接近一个晶胞的高度或者可以为大约多个晶胞的高度。成角度的支柱可以延伸穿过为与第二表面距离最近的节点的下节点约晶胞高度的3％-50％之外。在本发明的一个实施例中，成角度的支柱延伸穿过为最靠近第二表面的节点的下节点约50％的晶胞高度。多个成角度支柱和立柱中的每一个均可以是实心或中空结构。用于制造微桁架架构的材料可以是金属，例如镁、铝、钛、铬、铁、钴、镍、铜、锌或合金。该材料还可以是聚合材料，例如聚碳酸酯、芳族聚酰胺、耐冲击聚苯乙烯、尼龙、超高分子量聚乙烯、聚(对苯二亚甲基)或这些聚合物材料的组合。
图9a和图9b中示出了本发明第二个实施例的示例性样本。该示例性样本为1.5倍晶胞高的中空微桁架结构，该结构具有仅在位于第一表面上的上节点和下节点之间延伸的立柱910和延伸到下节点之外半个晶胞高度至第二表面的成角度的支柱。该微桁架结构的第一表面结合到第一面板，并且微桁架结构的第二表面结合到第二面板。每个面板的材料可以从聚合物、金属、陶瓷或复合材料中选择。在图9a和图9b中所述的样本中，第一面板材料为柔性聚合材料，第二面板材料为钢。图10示出了图9a和9b中所示样本的压缩应力-应变响应。该样本显示了从约1MPa到约2MPa范围内的多个应力峰值和超过80％的密实化应变。
本发明的第三实施例
本发明的第三实施例采用在厚度方向上具有至少四个晶胞的微桁架结构。在厚度方向上堆叠的晶胞越多，初始应力峰值与随后的软化越平整。图11a、11b和11c示出了根据本发明第三实施例制作的两个示例性样本。图11a所示的样本为约5个晶胞高、使用无电镀镍制成的八面体中空微桁架结构，图11b和11c中所示的样本为大约5个晶胞高、使用聚(对苯二亚甲基)制成的八面体中空微桁架结构。在图11b和11c所示的实施例中，因为形成有序的3D微桁架结构(或者开孔聚合物微桁架架构)的方法用作用于形成中空微桁架结构的模板，所以相互贯通的波导件(或支柱)的节点的延伸距离和大小由于聚合造成折射率变化而未收到干扰。
图12显示了聚(对苯二亚甲基)样本的压缩应力-应变响应。可以观察到，该样本显示出与图1中所示理想响应相似的响应，其密实化应变接近60％且能量吸收效率超过50％。
本发明的第四实施例
本发明的第四实施例使用具有联锁结构的微桁架架构。图13a示出了具有联锁结构的示例性微桁架架构。周期重复的联锁晶胞结构具有第一表面1311和第二表面1312，该第一表面1311和第二表面1312彼此平行并且限定周期重复晶胞的高度。在第一表面1311和第二表面1312之间具有：具有第一晶胞高度的第一晶胞结构1371；具有第二晶胞高度的第二晶胞结构1372；和具有第三高度的多个立柱1373。第一晶胞结构1371、第二晶胞结构1372和多个立柱1373在第一晶胞结构1371内联锁，并且第一晶胞高度等于周期重复晶胞的高度并且大于第二晶胞高度和第三高度中的每一个。具体地，图13a中的周期重复的联锁晶胞结构包括与四面体晶胞和四个立柱联锁的八面体晶胞。四面体晶胞和立柱均是仅在第一表面1311(即，微桁架架构的顶面)处连接到该八面体晶胞。四面体晶胞和立柱均在第二表面1312(即，微桁架架构的微桁架的底面)之上。图13b示出了图13a中所示结构的模拟压缩应力-应变响应。该模拟响应显示了能量吸收效率超过43％的更接近平稳状的应力-应变响应。
图14a示出了根据本发明第四实施例的另一个示例性样本。周期重复的晶胞结构具有第一表面1411和第二表面1412，该第一表面1411与第二表面1412彼此平行并限定了该周期重复的晶胞的高度。在第一表面1411和第二表面1412之间具有：彼此堆叠的两个第一晶胞结构1471，每个第一晶胞结构1471都具有约为周期重复的晶胞的高度的一半的第一晶胞高度；具有第二晶胞高度的第二晶胞结构1472，该第二晶胞高度为周期重复的晶胞的高度的大约一半；和具有第三高度的立柱1473，该第三高度小于周期重复的晶胞的高度。第一晶胞结构和第二晶胞结构均连接到立柱。具体地，图14a中的周期重复的联锁晶胞结构包括与四面体晶胞和立柱联锁的八面体晶胞，与图13a中所示的示例性样本相似，不同之处在于八面体晶胞和四面体晶胞沿着立柱连接。图14b中示出了该样本的模拟压缩应力-应变响应，具有高于32％的能量吸收效率。
本发明的该实施例的能量吸收效率和密实化应变可以通过优化联锁构件的几何参数进一步提高。这种架构可以在使用光单体的制造期间通过使用多重曝光来生成。
本发明的第五实施例
本发明的第五实施例使用具有高密实化应变的微桁架架构。这种结构可以使用压缩变形的微桁架结构实现，使得该结构的桁架不会彼此堆积。图19a和图19b示出了这种架构的一个示例性实施例，包括多个成角度的支柱1921和立柱1960。在该架构中有多层节点。除了顶层，每个附加层中的节点按照两个相邻节点之间的每个支柱长度的约0.01-0.5倍的移位1970均匀移动。图20a和20b示出了这种架构的另一个示例性实施例。每个附加层中的节点在两个方向中的一个上按照移位2070交替移位，使得每个节点的移位是按照与它的四个最近相邻节点的移位方向相反的方向移动，且移动长度为两个相邻节点之间的长度的0.01-0.2倍。图21a和21b示出了这种架构的另一个示例性实施例。微桁架结构具有三折对称性，并且每个平面中的所有节点在投射到平行于微桁架的表面的平面上时位于相邻平面中的节点之间的中心。图22显示了图19a和19b中所示的架构的模拟压缩应力-应变响应2205，同时示出了节点没有移位的相似架构的模拟压缩应力-应变响应2210。可以看到，与具有没有进行节点位置移动的相似结构的微桁架相比，根据本发明的该实施例的结构显示出更高的密实化应变。
在本发明的每个实施例中所讨论的微桁架架构可以进一步包括在第一表面或第二表面或者同时在第一和第二表面上的面板。对于每个表面，该面板材料可以从金属、陶瓷或者复合材料中选择。在包括地板垫和脚垫的应用中，可以使用不能集中通过微桁架结构传送到正在保护的人员或对象上的载荷但是能够环绕人员或对象并对人员或对象产生缓冲作用的柔性面板材料。该柔性面板材料可以从包括弹性体的聚合物中选择，例如聚合物泡沫、橡胶和微蜂窝状弹性聚氨酯，这些材料也是可以帮助减轻冲击载荷的能量吸收材料。图15a和15b示出了在微桁架1501上具有柔性面板1502的示例性地板垫和脚垫。在爆炸期间，面板1502包裹脚1503以对人起到保护和缓冲的作用。面板可以作为基于微桁架的能量吸收系统的一体部分来防止微桁架变形，并且在常规操作和使用期间吸收振动，例如步行。它还有助于减震以及在爆炸事件中弯曲以向脚仅传送最大的容许载荷。
如图16所示，微桁架架构还可以与钢板组合以用于包括车辆底板或侧面板的应用。钢板用于阻止射击威胁、子弹、碎片和其它可穿透物体，可以由装甲钢(RHA钢)或陶瓷材料制成。
上文中公开的多种微桁架架构可以具有开口的蜂窝状结构。这种结构还可以通过使流体通过结构中的孔(即，桁架构件之间的空间)或者通过桁架构件(如果该桁架构件是中空的管)用于温度管理。这种方法可以用来为车辆、头盔或者防弹衣应用输送热量，如图17所示。
上文公开的多种微桁架架构可以使用聚合物微桁架模板制作。图23示出了说明制造多种微桁架架构的示例性方法的流程图。在步骤2310中制造聚合物微桁架模板后，下一步骤2320中对聚合物微桁架涂敷所需微桁架材料的涂层，例如金属或聚合物材料。该涂敷方法可以是适合于该所需材料的任何方法。可以调节涂层的厚度，以使得所传送的应力小于特定的最大应力，例如损伤阀值应力。示例性的涂层厚度可以在约10μm到约100μm的范围内。例如，可以使用电沉积的方法将镍沉积为期望厚度。然后，在步骤2330中，聚合物微桁架模板可以被移除，例如从涂层上蚀刻掉，仅剩下涂层以形成最终的微桁架架构。可以使用任何合适的方法将聚合物微桁架模板移除，例如使用NaOH溶液蚀刻。
在一个实施例中，聚合物微桁架模板的形成在步骤2310中完成，如下所述。合适的可光聚合树脂注入托盘中并用具有孔阵列的掩模覆盖。通过该掩模使用从不同方向入射到掩模上的准直光来照射托盘。从给定方向穿过掩模中的给定孔进入掩模的准直光在树脂内呈现光束的形状，使得在光束内在树脂中发生一个或多个化学变化。这些化学变化影响折射率，并且因此该光束在树脂中形成波导，这些波导又反过来沿着已形成波导的路径引导光束。具体地，在本发明的一个实施例中，准直光使树脂聚合，从而形成微桁架结构。没有发生反应的树脂被冲走，剩下微桁架模板。根据有序的3D微桁架结构(或开口晶胞聚合物微桁架结构)的形成方法，当同时执行通过从不同方向入射到掩模上的准直光进行的照射时，传播距离和相互贯通的波导件(支柱)的节点大小不会受到聚合导致的折射率改变的干扰。
本发明的实施例可以用于通过将冲击载荷降低到损伤阀值以下提供具有改进性能的冲击和爆炸保护。在冲击和爆炸事件中，这些材料吸收最大的能量，同时不会传送超过可接受的最大应力的应力，例如损伤阀值应力。本发明的实施例能够大量减少(由密实化应变指示)，同时在1-20m/s冲击速度的动态荷载下传送近似恒定的压力。
本发明的实施例可以用于需要低速或高速冲击吸收、传输峰值的应力减小或减震的系统中，例如爆炸保护系统中，或者必须安全地降低机械能或动量以保护车辆或它的乘客(例如，车辆碰撞保护、个人防护装备、失控车辆的安全速度降低，等等)的系统。示例性系统包括用于易受车辆底板破坏或简易爆炸(IED)爆炸影响的车辆内部的脚垫和地板垫、车底板、头盔衬垫、防弹衣的创伤衰减衬垫、用于旋翼飞机和车辆的轻量高性能爆炸保护、用于车辆外部部件的行人碰撞结构(例如，发动机罩、保险杠或A-柱)和用于车辆内部部件的撞击结构(例如，仪表板、方向盘或车辆支柱)。其它的示例性应用包括：轻质包装、覆盖容器或者其它用于易碎物品的保护结构；工作人员在危险情况中(例如，处理爆炸物或排除炸弹)使用的薄的能量吸收屏障；易碎或敏感的车辆部件(例如，燃料箱、电池组或者发动机)之间或环绕这些部件的屏障，用以在组装、维修或发生碰撞时将这些结构与损害隔离开来；以及可成形的能量吸收个人防护材料，这种材料必须是柔性或者舒适地围绕身体或车辆的一部分或可能的其它生命体。这些可以附加到装甲车或防弹衣。
本发明实施例的优点包括：以比现有技术的蜂窝体、金属泡沫体和其它蜂窝状材料更小的重量和更小的厚度吸收更多的能量，使得不超过损伤阀值应力的同时单位重量和体积吸收更多的能量；以及通过使用20-1000微米范围内的壁厚准确且容易地调节以保持最大应力在损伤阀值应力以下。这种结构可以具有大约0.5-1.5MPa范围内的抗压强度，这对于接触人类的应用是有益的，又或者具有高达7MPa的抗压强度，这对于涉及人类的车辆中的应用是有益的。根据本发明实施例的中空薄壁结构相对于基于聚合物的蜂窝状材料具有固有优势，即，很多金属具有高于聚合物比强度10倍的比强度，使得每单位质量能够吸收更多的能量和更高的体积减少，这导致单位体积下更高的能量吸收。根据本发明实施例的中空薄壁金属结构进一步没有初始应力峰值、软化或快速密实化；并且为多功能应用提供机会。本发明实施例中所使用的工艺可以是纯粹的形状制造工艺，使得例如弯曲面板和非恒定横截面的制造成为可能，而不需要首先形成一部分后再进行加工。
本发明的一个或多个实施例中的能量吸收桁架解耦股为毫米到厘米等级(例如，从0.5mm到5cm)有序的三维微桁架结构。然而，在一些实施例中，有序三维结构的尺寸可以是几微米级。
尽管这里已经具体说明和显示了能量吸收桁架结构的限制性实施例，但是多种修改和变型对本领域技术人员来说是显而易见的。因此，可以理解的是，根据本发明原理构造的桁架结构可以实现为不同于本文所描述的其它形式。本发明还限定在下面的权利要求及其等同形式中。

Claims (16)

1.一种用于防冲击载荷的系统，所述冲击载荷由冲击和爆炸产生，所述系统包括第一微桁架架构，其中所述第一微桁架架构包括：
第一表面和第二表面，所述第一表面和所述第二表面彼此平行，且所述第一表面和所述第二表面之间具有一定距离，从而限定所述微桁架架构的厚度；
多个成角度的支柱，所述多个成角度的支柱沿多个非垂直方向延伸，所述多个成角度的支柱中的每一个都具有在所述第一表面上的第一端部、和第二端部；
多个节点，沿多个方向延伸的所述多个成角度的支柱在所述多个节点处互相贯通；
所述多个成角度的支柱和所述多个节点限定多个晶胞，所述多个晶胞中的每一个具有位于所述多个节点之间的上节点、位于所述多个节点之间的下节点、和晶胞高度，所述晶胞高度为所述上节点与所述下节点之间的距离，其中每一个所述成角度的支柱的所述第二端部位于与所述第二表面最近但与所述第二表面具有一定距离的下节点上；和
立柱，所述立柱在法线方向上从所述第一表面延伸，所述立柱具有位于所述第一表面上的第一端部和穿过与所述第二表面最近的所述下节点延伸到所述第二表面上的第二端部。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一表面和所述第二表面之间仅具有一层晶胞。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一表面和所述第二表面之间具有至少两层晶胞。
4.一种用于防冲击载荷的系统，所述冲击载荷由冲击和爆炸产生，所述系统包括第一微桁架架构，其中所述第一微桁架架构包括：
第一表面和第二表面，所述第一表面和所述第二表面彼此平行，且所述第一表面和所述第二表面之间具有一定距离，从而限定所述微桁架架构的厚度；
多个成角度的支柱，所述多个成角度的支柱沿多个非垂直方向延伸，所述多个成角度的支柱中的每一个具有在所述第一表面上的第一端部、和第二端部；
多个节点，沿多个方向延伸的所述多个成角度的支柱在所述多个节点处互相贯通；
所述多个成角度的支柱和所述多个节点限定多个晶胞，所述多个晶胞中的每一个具有位于所述多个节点之间的上节点、位于所述多个节点之间的下节点、和晶胞高度，所述晶胞高度为所述上节点和所述下节点之间的距离，其中所述多个成角度的支柱中的每一个的第二端部穿过与所述第二表面距离最近的下节点延伸到所述第二表面上；和
立柱，所述立柱在法线方向上从所述第一表面延伸，所述立柱具有位于所述第一表面上的第一端部和位于与所述第二表面距离最近但与所述第二表面具有一定距离的下节点上的第二端部。
5.一种用于防冲击载荷的系统，所述冲击载荷由冲击和爆炸产生，所述系统包括第一微桁架架构，其中所述第一微桁架架构包括：
重复的晶胞结构，所述重复的晶胞结构包括多个支柱和连接所述多个支柱的节点；其中，所述节点在所述微桁架架构中形成多个层，并且所述节点的至少一个层中的每一个节点被构造为设置于由所述重复的晶胞结构确定的各自的标称位置或者设置于从所述标称位置移位后的各自的移位位置。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，节点的所述移位位置是从所述节点的所述标称位置移动为两个相邻节点之间的每个支柱的长度的0.01-0.5倍的距离。
7.根据权利要求5所述的系统，其中，节点的所述移位位置是在与其最近的相邻节点的移位方向相反的方向上从所述标称位置移动。
8.根据权利要求5的系统，其中，所述重复的晶胞结构具有三折对称性，并且每个节点位于与上层和下层中的节点的中心相对应的位置。
9.根据权利要求6-8中任一项所述的系统，其中，所述第一微桁架架构包括第一表面和第二表面，还包括在所述第一表面上的面板，其中所述面板被构造为在操作期间防止所述第一微桁架架构变形、帮助减震并在爆炸时包裹被保护对象。
10.根据权利要求5-8中任一项所述的系统，其中，所述第一微桁架架构包括第一表面和第二表面，还包括在所述第一表面上的面板，其中所述面板包括从由以下材料构成的组中选择的板材：聚合物泡沫、橡胶状聚合物、金属及其组合。
11.根据权利要求1、4和5中任一项所述的系统，其中，所述微桁架架构由从由以下材料构成的组中选择的材料制成：镁、铝、钛、铬、铁、钴、镍、铜、锌及其合金、聚碳酸酯、芳族聚酰胺、耐冲击聚苯乙烯、尼龙、超高分子量聚乙烯、聚(对苯二亚甲基)及其组合。
12.根据权利要求1、4和5中任一项所述的系统，其中，所述系统为车辆内的脚垫或地板垫的一部分。
13.根据权利要求1所述的系统，其中：
所述系统还包括界面面板，所述界面面板位于所述第一表面与所述第二表面之间、平行于所述第一表面且平行于所述第二表面；以及
至少四个晶胞在所述微桁架架构的厚度方向上彼此堆叠。
14.根据权利要求5所述的系统，其中，所述第一微桁架架构包括第一表面和第二表面。
15.根据权利要求1、4和14中任一项所述的系统，还包括：
在所述第一表面上的面板，其中所述面板被构造为在操作期间防止所述第一微桁架架构变形、帮助减震以及在爆炸时包裹所保护的对象。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述面板包括从由以下材料构成的组中选择的板材：聚合物泡沫、橡胶状聚合物、金属及其组合。
CN201480013119.0A 2013-03-08 2014-03-03 一种用于防冲击载荷的系统 Expired - Fee Related CN105190220B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201361775090P 2013-03-08 2013-03-08
US61/775,090 2013-03-08
PCT/US2014/019980 WO2014137924A1 (en) 2013-03-08 2014-03-03 Energy absorbing truss structures for mitigation of injuries from blasts and impacts

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105190220A CN105190220A (zh) 2015-12-23
CN105190220B true CN105190220B (zh) 2017-07-21

Family

ID=51491828

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201480013119.0A Expired - Fee Related CN105190220B (zh) 2013-03-08 2014-03-03 一种用于防冲击载荷的系统

Country Status (4)

Country Link
US (1) US10753418B2 (zh)
EP (1) EP2965034B1 (zh)
CN (1) CN105190220B (zh)
WO (1) WO2014137924A1 (zh)

Families Citing this family (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9381879B2 (en) 2014-11-12 2016-07-05 GM Global Technology Operations LLC Local energy absorber
FR3032937B1 (fr) * 2015-02-24 2017-03-03 Cera Aps Faux-plancher de vehicule automobile
FR3037018A1 (fr) * 2015-06-08 2016-12-09 Peugeot Citroen Automobiles Sa Element de carrosserie de vehicule a panneau a mailles de protection contre les chocs
US10092055B2 (en) 2016-01-06 2018-10-09 GM Global Technology Operations LLC Local energy absorber
CA3010158C (en) 2016-01-08 2021-01-12 VICIS, Inc. Impact absorbing structures for athletic helmet
US11571036B2 (en) 2016-01-08 2023-02-07 Vicis Ip, Llc Laterally supported filaments
US10973272B2 (en) 2016-01-08 2021-04-13 Vpg Acquisitionco, Llc Laterally supported filaments
JP6789640B2 (ja) * 2016-02-24 2020-11-25 三菱重工業株式会社 ネットワーク構造体、緩衝体、及び車両
US10933609B2 (en) 2016-03-31 2021-03-02 The Regents Of The University Of California Composite foam
US20180265023A1 (en) * 2017-03-20 2018-09-20 Ford Global Technologies, Llc. Additively manufactured lattice core for energy absorbers adaptable to different impact load cases
US10203169B2 (en) * 2017-06-12 2019-02-12 Microsoft Technology Licensing, Llc Thermal management devices, systems and methods
WO2019079852A1 (en) * 2017-10-24 2019-05-02 Jack C Swan MICRO-TRELLIS SHIELD
CN108044949A (zh) * 2017-12-08 2018-05-18 潘灵灵 用于将微桁架结构紧固到面板的工艺
US20210187897A1 (en) * 2018-11-13 2021-06-24 VICIS, Inc. Custom Manufactured Fit Pods
US11864610B2 (en) * 2018-11-21 2024-01-09 Xenith, Llc Multilayer lattice protective equipment
CN109910708A (zh) * 2019-04-08 2019-06-21 南京理工大学 一种军用车辆防雷脚垫
US20220225720A1 (en) * 2019-05-20 2022-07-21 Gentex Corporation Helmet Impact Attenuation Liner
CN110341615A (zh) * 2019-06-17 2019-10-18 南京航空航天大学 一种双重仿生汽车底盘防护系统及其设计方法
CN111703067B (zh) * 2020-05-29 2021-05-11 同济大学 基于正方形单元孪晶型微桁架结构的复合吸能结构及其3d打印方法
CN111985120B (zh) * 2020-05-29 2022-10-25 同济大学 基于米字形单元多晶型微桁架结构的复合吸能结构及其3d打印方法
CN111723500B (zh) * 2020-05-29 2022-04-05 同济大学 基于米字形单元孪晶型微桁架结构的复合吸能结构及其3d打印方法
CN113415052A (zh) * 2021-06-11 2021-09-21 东南大学 一种轻量化frp-八面体点阵组合防护结构及其设计方法
US11981268B2 (en) * 2021-10-13 2024-05-14 GM Global Technology Operations LLC Energy absorbing material for a vehicle

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102148391A (zh) * 2010-02-08 2011-08-10 通用汽车环球科技运作有限责任公司 微桁架水蒸汽传输装置
CN102427936A (zh) * 2009-06-01 2012-04-25 波音公司 用于以微型桁架为基的结构隔热层的方法和设备
US8353240B1 (en) * 2010-12-22 2013-01-15 Hrl Laboratories, Llc Compressible fluid filled micro-truss for energy absorption

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4049855A (en) * 1976-03-22 1977-09-20 Scott Douglas Cogan Boxcell core and panel
US8247333B2 (en) 2000-05-26 2012-08-21 University Of Virginia Patent Foundation Multifunctional periodic cellular solids and the method of making thereof
US20050202206A1 (en) * 2002-05-30 2005-09-15 Wadley Haydn N.G. Method for manufacture of periodic cellular structure and resulting periodic cellular structure
WO2004022869A2 (en) * 2002-09-03 2004-03-18 University Of Virginia Patent Foundation Method for manufacture of truss core sandwich structures and related structures thereof
US7687132B1 (en) 2008-03-05 2010-03-30 Hrl Laboratories, Llc Ceramic microtruss
WO2008127301A1 (en) * 2006-10-27 2008-10-23 University Of Virginia Patent Foundation Manufacture of lattice truss structures from monolithic materials
WO2008137379A2 (en) * 2007-04-30 2008-11-13 Tufts University Doubly-curved mesh and its method of manufacture
US7653276B1 (en) * 2008-03-06 2010-01-26 Hrl Laboratories, Llc Composite structures for storing thermal energy
EP2343185B1 (en) * 2008-10-31 2016-03-02 Kyoraku CO., LTD Sandwich panel and method of forming the sandwich panel
US9126834B2 (en) * 2009-11-10 2015-09-08 GM Global Technology Operations LLC Hydrogen storage materials
US8623490B2 (en) 2010-03-19 2014-01-07 GM Global Technology Operations LLC Method and apparatus for temperature-compensated energy-absorbing padding
AU2012332092A1 (en) 2011-11-03 2014-05-15 4-Web, Inc. Method of length preservation during bone repair
US9527261B1 (en) 2012-09-14 2016-12-27 Hrl Laboratories, Llc Hollow polymer micro-truss structures containing pressurized fluids
US20140251585A1 (en) * 2013-03-05 2014-09-11 The Boeing Company Micro-lattice Cross-flow Heat Exchangers for Aircraft

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102427936A (zh) * 2009-06-01 2012-04-25 波音公司 用于以微型桁架为基的结构隔热层的方法和设备
CN102148391A (zh) * 2010-02-08 2011-08-10 通用汽车环球科技运作有限责任公司 微桁架水蒸汽传输装置
US8353240B1 (en) * 2010-12-22 2013-01-15 Hrl Laboratories, Llc Compressible fluid filled micro-truss for energy absorption

Also Published As

Publication number Publication date
EP2965034A4 (en) 2016-12-28
US10753418B2 (en) 2020-08-25
WO2014137924A1 (en) 2014-09-12
US20180058531A1 (en) 2018-03-01
CN105190220A (zh) 2015-12-23
EP2965034B1 (en) 2019-11-06
EP2965034A1 (en) 2016-01-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105190220B (zh) 一种用于防冲击载荷的系统
US12064948B2 (en) Gradient nanoparticle-carbon allotrope-polymer composite material
US9890827B2 (en) Energy absorbing truss structures for mitigation of injuries from blasts and impacts
Wu et al. Dynamic crash responses of bio-inspired aluminum honeycomb sandwich structures with CFRP panels
US10197125B2 (en) Interdigitated cellular cushioning
Mahbod et al. Energy absorption analysis of a novel foam-filled corrugated composite tube under axial and oblique loadings
EP2420694B1 (en) Impact energy management method and system
CN107635424B (zh) 一种吸震结构和具有这种结构的头盔
Grujicic et al. Concept-level analysis and design of polyurea for enhanced blast-mitigation performance
US7774866B2 (en) Impact energy management method and system
WO2012112554A2 (en) Improved helmet design
US7736729B2 (en) Blast energy mitigating composite
Shao et al. Numerical analysis on impact response of ultra-high strength concrete protected with composite materials against steel ogive-nosed projectile penetration
CN108397501B (zh) 一种全方位自锁的薄壁吸能管筒
Chen et al. Numerical investigation on performance of protective layer around large-scale chemical storage tank against impact by projectile
Liu et al. Mechanical behavior of FRP confined steel tubular columns under impact
ITMI941369A1 (it) Uso di pacchi costituiti dall&#39;unione di una pluraita&#39; di fogli in materiale plastico sagomati in rilievo, per la realizzazione di barriere di protezione ad assorbimento d&#39;urto in particolare per circuiti automobilistici o motociclistici
CN208187249U (zh) 一种复合夹芯防弹结构
RU2575885C2 (ru) Встречно-штыревой ячеистый амортизатор
Zheng et al. Rigid–flexible coupling design and reusable impact mitigation of the hierarchical-bistable hybrid metamaterials
Guo et al. Study on the resistance of UHMWPE laminates against oblique penetration of projectiles
Hwang et al. Impact Fracture of Polymer-Filled Braided Composite Tubes
Xue Cellular textile composites: Large deformation mechanisms and energy absorption behavior
Gaur et al. Design and analysis of low velocity impact on thermoplastic hat section with curvilinear profile
Şahin Static and dynamic deformation behavior of combined geometry AISI 304L stainless stell shells

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20170721