CN109977487A - 一种具有负泊松比效应衬垫的防护头盔及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有负泊松比效应衬垫的防护头盔及其设计方法，其具有负泊松比效应的关键是衬垫部分，以及与外壳、缓冲层、护镜的匹配设计。所设计的防护头盔可以定制，并具有更好地防护性能。简要设计步骤为：首先确定使用者的头型及所选择的头盔类型，确定各个部件的尺寸，接下来根据硬衬垫和半硬衬垫的使用要求不同，将所设计的周期性微结构同3D打印相结合进行制备。最后将各个部件相互组合进行制备，并满足使用需求。本发明制作的头盔减重的同时更加轻薄，可以根据个人头型的差异定制头盔，佩戴更加舒适，满足防护、功能、和舒适性要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种通过设计具有负泊松比衬垫来设计具有负泊松比效应的头盔，并提 出了具有负泊松比效应衬垫的防护头盔设计方法，属于新材料和新结构领域。
背景技术
头盔是用来保护头部的护具。是军人训练、作战时戴的帽子，是人们交通运动中不可或缺的工具。在受伤时最严重的是头部，因为头部处于最高和最突出的位置，导致头 往往最先着地或者撞击车辆以及其他物体，而且头部在发生意外时，往往承受不住所巨 大的力量。研究表明，头盔的使用可以大大降低死亡率，对人的伤害减少到最小。头盔 一般包含外壳、缓冲层、护垫和护镜等。衬垫材料具有吸汗、保暖、减震的功能，军用 头盔则往往还具有进一步减缓冲击力、防止壳体碎片伤及头部的功能。本发明主要根据 衬垫的设计，使其可以定制化设计并结合负泊松比材料及3D打印技术
采用负泊松比多孔材料制作缓冲和保护装置，例如缓冲垫，手套，头盔，座椅等，具有比传统材料更轻薄和吸能效果更好的特点，在起到保护作用的同时还可以提供使用者更好的舒适性。Foster等研究了使用聚氨酯负泊松比泡沫作为运动头盔中的缓冲层减小冲击加速度的可行性。3D打印技术，亦被称为增材制造技术，此项技术也被认为是 第三次工业革命的标志。利用这一新技术，可以打印形状复杂的三维负泊松比材料和结 构。负泊松比超材料是合成材料，采用微结构来达到负泊松比。由于其多为复杂的微孔 结构，传统的制作工艺并不能很好的生产制造所设计的结构。将3D打印技术同负泊松 比微结构设计结合在一起很好的解决了这一难题
本发明将负泊松比结构和3D打印制造工艺相结合，设计和制作具有负泊松比效应的衬垫，根据使用者的头部形状可以具体定制化设计衬垫以及，并进行3D打印，能在 冲击荷载和拉伸应变下均表现出负泊松比特性。利用尼龙材料和先进的3D打印技术相 结合，利用设计的周期性微孔结构，使生产出来的护垫具有负泊松比效应。生产出具有 实际应用价值的负泊松比护垫头盔与传统头盔相比，可以根据头型进行定制化生产，使 佩戴者更加舒适，同时由于采用负泊松比结构具有更好的抗缓冲性能和透气性，满足佩 戴要求。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，将负泊松比微结构设计和3D打印技术相结合，设计和制造了具由负泊松比衬垫的头盔，并提出了具体设计方法，负泊松比衬垫的 头盔具有比传统头盔更好的舒适性，变形性和散热性和抗缓冲性。
本发明采用的技术方案为：一种具有负泊松比效应衬垫的防护头盔，包括外壳、缓冲层、护镜；
所述防护头盔还包括具有负泊松比效应的头盔衬垫；
所述头盔衬垫的负泊松比效应来源于用有限元分析设计的周期性微结构，所述头盔 衬垫由硬衬垫和半硬衬垫组成，根据硬度的需求不同分别用不同等级的尼龙材料进行3D打印；
所述头盔衬垫的重量m和头盔总质量M满足：80g<m<100g，0.078<m/M<0.098。
作为优选，所述防护头盔前后左右适当位置用反光材料喷涂和粘贴，反光材料的面 积S满足：18cm2<S<24cm2，且可以定制图案；
所述头盔为满足佩戴舒适满足：在头顶受15kg的压力，压缩变形不超过5mm(在 任何区域受压力时，沿受力方向压缩量都不能超过)。
作为优选，所述护镜打开位置与水平线夹角的夹角θ满足：5o<θ<10o。
所述头盔满足：当5kg平砧从1.5m落下，撞击头部，传递到假人头型上的加速度 及其作用时间，应满足以下要求：
a)加速度峰值不应大于400g；
b)加速度为200g的作用时间不应大于2ms；
c)加速度为150g的作用时间不应大于4ms。
所述头盔护垫轮廓形状按给定的模型，内部结构可自行优化设计，满足要求即可；
上述一种具有负泊松比效应衬垫的头盔的设计方法，包括以下步骤：
1)根据人体工程学测绘使用者的头型尺寸，确定衬垫的三维模型。根据使用者的喜好需求选择合适样式的外壳、缓冲层、护镜等；
2)将设计的周期性微结构和衬垫的三维模型相结合，用3D打印技术进行制造；并以不同等级的尼龙材料来打印硬护垫和半硬护垫部分，最终制成完整的衬垫。
具有负泊松比效应的周期性微结构设计过程如下:
1.设计屈曲诱导负泊松比超材料。基于旋转机构的概念设计了简单的三维单位单元， 其直径与边长比为1.248。R是球的直径与立方体的边长之比，在范围内。 以一个单位单元为中心，用相同的单元通过连杆进行连接，形成了代表性体积元素。建 筑单元以三个正常的方向为模板形成了体积超材料，材料块的每条边都由8个单元细胞 成，以最大限度地减小尺寸效应，以获得可靠均质的特性。
2.进行线弹性基础材料初始有限元模型的屈曲分析。材料的选择可以是任意的弹性体，而本实验所选用的是杨氏模量为87GP和泊松比0.38的材料。在屈曲诱变分析中 使用特征求解器设置边界条件以获得有效的屈曲模型，除了顶部表面的加载方向上上的 节点运动外，有限元模型底部和顶部的所有节点自由度都受到限制。
接下来进行屈曲分析，利用子空间特征计算器，利用有限元分析软件进行线性摄动 分析。特征值得最大数目设置为20，模型使用固体元素，网孔大小设置为0.31mm，将 有限元模型使用网格进行均匀的划分，在单轴压缩条件下进行屈曲分析。
3.选择理想的屈曲模性。根据负泊松比材料和结构的研究，理想的屈曲模式为交替 出现的椭球体模型。从代表性体积元和屈曲分析中获得多种排布的完整模型。根据对比分析，最终选择具有较好对称性椭球体的代表性体积元作为构筑单元。
4.量化理想的屈曲模式的代表性体积元的形状，并对经过修改的代表性体积元进行 成像，形成了大量的超材料。原始结构的屈曲模型是是无量纲的无穷小变形，需要一个比例因子来量化他的形状，从而改变原始的几何模型。传统的屈曲诱导分析方法是将原 分歧问题转化为具有给定变形模式的连续响应问题。
在此使用模式比例因子(PSF)的方法，它可以确定屈曲模式的大小来改变初始几何形状。屈曲材料的中心代表性体积元被选为一个指示器。在进行屈曲分析后，只需在 所有节点的原始坐标上加上所选模式乘以一个变形尺度因子(DSF)即可证明标准化的的 屈曲模型当在散装材料中心的代表性体积元的空隙被关闭时，相应的变形比例因子被定 义为PSF＝100％。定义比例因子(PSF)的其他百分比也被相应地定义。
使用位于块状材料中心的一个具有代表性的体积元素(RVE)作为建筑单元来形成块 状细胞材料。这种方法产生了最终的周期性微孔结构。
3)将3D打印出来的衬垫进行简单实验验证，测试负泊松比性能、抗冲击性和舒适性，选择出满足要求的衬垫。将衬垫同外壳、缓冲层、系带和护镜进行组装设计即可。
本发明产生负泊松比效应的关键在于衬垫的微孔结构的周期性设计。通过单位单元 的设计，形成原始的周期性材料块；将材料进行有限元分析，选择出理想的屈曲模型；最终使用模式比例因子(PSF)的方法将代表性体积元进行构筑，形成周期性排布的微 孔结构。使用该结构3D打印出来的衬垫，具有很好的负泊松比效应。此外可以通过三 维建模根据人体头型的差异定制合适的衬垫。
有益效果：本发明利用该方法设计出的衬垫具有较好的负泊松比效应，根据使用者 个体的差异可以定制不同的衬垫，满足使用者是舒适性要求。将衬垫和外壳、缓冲层、护垫、系带和护镜等的匹配设计，以及定制化设计可以极大地减轻头盔的重量，同时又 可以更好的满足抗冲击性要求和日常使用需求。
附图说明
图1a为具有负泊松比效应的防护头盔结构示意图；
图1b位具有负泊松比效应的防护头盔衬垫的自由视图示意图
图2为基于旋转机构的三维单位单元。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步描述：
如图1和图2所示，一种具有负泊松比效应衬垫的防护头盔，包括外壳1、护镜2、 缓冲层3、衬垫4；
所述防护头盔的关键技术为具有负泊松比效应的衬垫，包含硬衬垫和半硬衬垫；
所述头盔衬垫的负泊松比效应来源于用有限元分析设计的周期性微结构，所述头盔 衬垫由硬衬垫和半硬衬垫组成，根据硬度的需求不同分别用不同等级的尼龙材料进行3D打印；
所述头盔衬垫的重量m和头盔总质量M满足：80g<m<100g，0.078<m/M<0.098。
所述头盔前后左右适当位置用反光材料喷涂和粘贴，反光材料的面积S满足：18cm2<S<24cm2，且可以定制图案。
所述头盔护目镜打开位置中MN连线与水平线夹角的夹角θ满足：5o<θ<10o
上述一种具有负泊松比效应衬垫的头盔的设计方法，包括以下步骤：
1)根据人体工程学测绘使用者的头型尺寸，确定衬垫的三维模型。根据使用者的喜好需求选择合适样式的护镜、外壳、缓冲层等；
2)将设计的周期性微结构和衬垫的三维模型相结合，用3D打印技术进行制造；并以不同等级的尼龙材料来打印硬护垫和半硬护垫部分，最终制成完整的衬垫。
具有负泊松比效应的周期性微结构设计过程如下:
①设计屈曲诱导负泊松比超材料。基于旋转机构的概念设计了简单的三维单位单元，其直径与边长比为1.248。R是球的直径与立方体的边长之比，在范围 内。以一个单位单元为中心，用相同的单元通过连杆进行连接，形成了代表性体积元素。 建筑单元以三个正常的方向为模板形成了体积超材料，材料块的每条边都由8个单元细 胞成，以最大限度地减小尺寸效应，以获得可靠均质的特性。
②进行线弹性基础材料初始有限元模型的屈曲分析。材料的选择可以是任意的弹性体，而本实验所选用的是杨氏模量为87GP和泊松比0.38的材料。在屈曲诱变分析中 使用特征求解器设置边界条件以获得有效的屈曲模型，除了顶部表面的加载方向上上的 节点运动外，有限元模型底部和顶部的所有节点自由度都受到限制。
接下来进行屈曲分析，利用子空间特征计算器，利用有限元分析软件进行线性摄动 分析。特征值得最大数目设置为20，模型使用固体元素，网孔大小设置为0.31mm，将 有限元模型使用网格进行均匀的划分，在单轴压缩条件下进行屈曲分析。
③选择理想的屈曲模性。根据负泊松比材料和结构的研究，理想的屈曲模式为交替出现的椭球体模型。从代表性体积元和屈曲分析中获得多种排布的完整模型。根据对 比分析，最终选择具有较好对称性椭球体的代表性体积元作为构筑单元。
④量化理想的屈曲模式的代表性体积元的形状，并对经过修改的代表性体积元进行成像，形成了大量的超材料。原始结构的屈曲模型是是无量纲的无穷小变形，需要一 个比例因子来量化他的形状，从而改变原始的几何模型。传统的屈曲诱导分析方法是将 原分歧问题转化为具有给定变形模式的连续响应问题。
在此使用模式比例因子(PSF)的方法，它可以确定屈曲模式的大小来改变初始几何形状。屈曲材料的中心代表性体积元被选为一个指示器。在进行屈曲分析后，只需在 所有节点的原始坐标上加上所选模式乘以一个变形尺度因子(DSF)即可证明标准化的的 屈曲模型当在散装材料中心的代表性体积元的空隙被关闭时，相应的变形比例因子被定 义为PSF＝100％。定义比例因子(PSF)的其他百分比也被相应地定义。
使用位于块状材料中心的一个具有代表性的体积元素(RVE)作为建筑单元来形成块 状细胞材料。这种方法产生了最终的周期性微孔结构。
3)将3D打印出来的衬垫进行简单实验验证，测试负泊松比性能、抗冲击性和舒适性，选择出满足要求的衬垫。将衬垫同外壳、缓冲层和护镜进行组装设计即可。
应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本事例中未 明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (4)
1.一种具有负泊松比效应衬垫的防护头盔，包括外壳、护镜、衬垫、缓冲层；其特征在于：所述防护头盔包括具有负泊松比效应的头盔衬垫；
所述头盔衬垫的负泊松比效应来源于用有限元分析设计的周期性微结构，所述头盔衬垫由采用尼龙材料进行3D打印的硬衬垫和半硬衬垫组成；
所述头盔衬垫的重量m和头盔总质量M满足：80g<m<100g，0.078<m/M<0.098。
2.根据权利要求1所述的一种具有负泊松比效应衬垫的防护头盔，其特征在于：所述防护头盔前后左右采用反光材料喷涂和粘贴，反光材料的面积S满足：18cm2<S<24cm2。
3.根据权利要求1所述的一种具有负泊松比效应衬垫的防护头盔，其特征在于：所述护镜打开位置与水平线夹角的夹角θ满足：5°<θ<10°。
4.根据权利要求1、2、或3所述的一种具有负泊松比效应衬垫的头盔的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)根据人体工程学测绘使用者的头型尺寸，确定头盔衬垫的三维模型；根据使用者的喜好需求选择合适样式的外壳、缓冲层、护镜；
2)将设计的周期性微结构和头盔衬垫的三维模型相结合，采用3D打印技术进行制造；并以不同等级的尼龙材料来打印硬护垫和半硬护垫部分，最终制成完整的头盔衬垫；
具有负泊松比效应的周期性微结构设计过程如下：
(1)设计屈曲诱导负泊松比超材料；基于旋转机构的概念设计了简单的三维单位单元，其直径与边长比为1.248；R是球的直径与立方体的边长之比，在范围内，以一个单位单元为中心，用相同的单元通过连杆进行连接，形成了代表性体积元素；建筑单元以三个正常的方向为模板形成了体积超材料，材料块的每条边都由8个单元细胞成，以最大限度地减小尺寸效应，以获得可靠均质的特性；
(2)进行线弹性基础材料初始有限元模型的屈曲分析；材料的选择是杨氏模量为87GP和泊松比0.38的材料，在屈曲诱变分析中使用特征求解器设置边界条件以获得有效的屈曲模型，除了顶部表面的加载方向上上的节点运动外，有限元模型底部和顶部的所有节点自由度都受到限制；
接下来进行屈曲分析，利用子空间特征计算器，利用有限元分析软件进行线性摄动分析；特征值得最大数目设置为20，模型使用固体元素，网孔大小设置为0.31mm，将有限元模型使用网格进行均匀的划分，在单轴压缩条件下进行屈曲分析；
(3)选择理想的屈曲模性；根据负泊松比材料和结构的研究，理想的屈曲模式为交替出现的椭球体模型；从代表性体积元和屈曲分析中获得多种排布的完整模型；根据对比分析，最终选择具有较好对称性椭球体的代表性体积元作为构筑单元；
(4)量化理想的屈曲模式的代表性体积元的形状，并对经过修改的代表性体积元进行成像，形成了大量的超材料；原始结构的屈曲模型是无量纲的无穷小变形，需要一个比例因子来量化他的形状，从而改变原始的几何模型；在此使用PSF的方法，它确定屈曲模式的大小来改变初始几何形状；屈曲材料的中心代表性体积元被选为一个指示器；在进行屈曲分析后，只需在所有节点的原始坐标上加上所选模式乘以一个变形尺度因子即可证明标准化的的屈曲模型当在散装材料中心的代表性体积元的空隙被关闭时，相应的变形比例因子被定义为PSF＝100％；定义PSF的其他百分比也被相应地定义；
使用位于块状材料中心的一个具有代表性的体积元素作为建筑单元来形成块状细胞材料；这种方法产生了最终的周期性微孔结构；
3)将3D打印出来的头盔衬垫进行简单实验验证，测试负泊松比性能、抗冲击性和舒适性，选择出满足要求的头盔衬垫，将头盔衬垫同外壳、缓冲层、系带和护镜进行组装设计即可。
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