CN110448822A - 人体坠落防护吸能系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了人体坠落防护吸能系统，包括一个或多个易碎的吸能单元形成的可压溃的吸能防护结构，所述吸能防护结构受坠落人体冲击时会在厚度方向发生压溃应变。本发明较好地减轻了人体坠落后所受的伤害。

Description

人体坠落防护吸能系统

技术领域

本发明涉及一种人体坠落防护吸能系统。

背景技术

在造成意外事故死亡的原因中，坠落是继交通事故后的第二大原因。由此可见，如何有效地减轻坠亡事故的危害是一个很重大的社会问题。

在这些坠亡事故中，有的是从建筑高楼上坠落的，这里面不但有无意的事故，也有有意跳楼自杀，或在高楼发生火灾时不得已而跳楼。例如在火灾现场，在视频中有时会看到人从楼上不得已而跳下，因坠落而亡，消防救援人员也无能为力，这让人感到很痛心和震撼。在与消防救援人员调研沟通中获悉，如何减轻或消除人体坠落事故的伤害，目前还没有一个成熟且通用有效的方法。消防救援人员，有时可以使用一些消防网、救生垫等，但效果不好。救生结果具有不确定性，和场地天气等自然条件关系很大；设置需要时间，而且在坠落高度比较高时没有效果。另外，常用的坠落人体防护装置，所用的垫、网和气囊材料，大多是弹性体，吸能效果不佳。

发明内容

本发明提供了人体坠落防护吸能系统，系统包括由一个或多个易碎的吸能单元形成的可压溃的吸能防护结构，所述吸能防护结构承受坠落人体冲击时会在厚度方向发生压溃应变。所述吸能单元或者可压溃吸能防护结构中的吸能，当然是指用于吸收坠落人体的动能。所述可压溃，在本领域中当然是指：该结构可被运动的坠落人体压溃破坏，从而减少人所受的伤害载荷。所述厚度方向，又可称为竖直方向。

所述吸能防护结构包括如下特性：(1)这种防护结构的压溃应变过程是个局部现象，防护结构被压溃的面积和受人冲撞的接触面大小相当；(2)每个所述吸能单元由整体性完好的轻质脆性材料组成。

本吸能系统安装在人体可能的坠落点下的水平支撑面上，在它受到坠落人体冲击时，与人体接触的系统接触面局部，通过不断地牺牲自身的过程，或不断地被坠落人体压溃破坏掉的过程，使坠落人体会在系统的厚度方向上不断坠入而逐渐减速，坠落人体的动能在比较小载荷水平下逐渐地被系统吸收掉，直到坠落人体停止，从而减轻人体在如果没有此系统情况下的伤害程度。

每个所述吸能单元可有如下特性：

(1)在被压溃过程中，直至接近压实开始点时，吸能单元保持相对不变的压溃强度(压溃强度在本文亦称压溃应力)；

(2)进入朔性压溃阶段之后，当压缩停止时，吸能单元不会有反弹。

通常，系统的吸能单元有特定的强度、密度和压溃破坏下的特征，所述特定的指视防护效果需要而定。

任选地，各所述吸能单元在竖直方向的总厚度h由下列因素决定：所述吸能单元的材料压溃强度σ、所述吸能单元的接近常值的压溃强度的最大材料应变∈、人体坠落点高度H、坠落人体质量m和坠落人体平均水平截面积A，h与H和/或m正相关，与σ、∈和/或A成反比；各所述吸能单元的σ、∈可相同，如，所述总厚度h≥mgH/(∈σA)，g为重力加速度。

具体而言，本文H是指人体的坠落高度，与吸能防护结构中高度最高的吸能单元的上表面的高度差；本文A是人体与吸能防护结构接触部分的平均水平截面积。

任选地，所述吸能单元的材料压溃强度σ和密度ρ，由下列因素决定：人体坠落点高度H、坠落人体质量m和坠落人体平均水平截面积A，和拦停人体的最大过载目标值K(单位是g)；各所述吸能单元的σ、∈、ρ可相同，如，所述吸能单元的强度σ和密度ρ满足：[(2ρgH+σ)A]/(mg)＜K。

当然，本领域公知的是，人体质量m和截面积A、拦停人体的最大过载目标值K对不同的人群是不同的，所以在设计时，要综合考虑到可能受害人的年龄、性别、坠落姿态、安全余量等因素。

任选地，所述吸能系统在同一水平面上包括至少两个吸能单元；各吸能单元之间留有空隙，

和/或，吸能单元上设置有气孔，所述空隙或气孔有如下至少一个作用：

1)在吸能单元承压溃变时，释放吸能单元被压缩造成的内部压力。

2)给坠落人体提供呼吸用空气。

3)便于吸能系统通风和/或排水。

另外，当系统随温度变化热胀冷缩时，留有的空隙，还可保持系统的结构稳定完好和耐久性。

任选地，所述吸能系统在同一水平面上仅有1个吸能单元，吸能单元上设置有气孔，所述气孔有如下至少一个作用：

1)在吸能单元承压溃变时，释放该吸能单元的内部压力

2)给坠落人体提供呼吸用空气

3)便于吸能系统通风和/或排水。

当然，由于是吸能系统，本领域公知的是，上述各个单元的空隙或气孔，不能影响到系统的吸能效果，比如，人体的截面积和吸能单元的平面尺寸会影响到允许空隙的最大值。再如：

为了系统的完好，通孔要在厚度方向设置，间隔大约是人体特征长度，孔的截面积和孔的密度不能影响系统的吸能特性。这里的人体特征长度定义是人体截面积的平方根。任选地，所述吸能单元至少为两层，为了保持空隙或气孔的通畅，摆放时，上下吸能单元要对齐，不要错位，各吸能单元平面形状和平面尺寸，可以一样。各单元的形态、密度、强度、高度、单元的垂直方向的层数、和水平覆盖面积，可根据防护人体的坠落高度区间，系统的安装位置和坠落人体的组成特征来决定的。

任选地，本吸能系统覆盖的区间是由坠落人体的可能落点来决定的。系统覆盖的区间越大，保护坠落人体的范围越广。各层吸能单元叠加起来，是吸能系统的厚度h。

任选地，本吸能系统吸能单元，根据设计条件，每层单元可以是一样的吸能能力(强度)；也可以设计成顶部第一层相对比较弱，然后逐层强度增加。顶部第一层相对比较弱，有利于在人体最初接触系统时，减少冲击载荷突然增加的动态效应对人体的局部伤害。

任选地，所述轻质脆性材料，可有如下力学特性(见图1)：(1)这种材料在进入朔性压溃阶段前，材料几乎没有弹性变形阶段；在整个朔性压溃阶段，直至接近材料压实开始点时，材料保持相对不变的压溃强度。(2)进入朔性压溃阶段之后，当压缩载荷卸载时，材料不会有反弹。(3)材料的压溃应变过程是个局部现象。

与弹性材料比较，在给定最大允许载荷的情况下，此类材料对能量的吸收更有效。任选地，所述轻质脆性材料为多孔材料，例如轻质低强度的发泡混凝土、发泡玻璃、泡沫陶土、发泡陶瓷等。也可以选取有类似材料特性的脆弱材料。

任选地，本吸能单元材料轻，密度不会超过0.6吨/米³。

任选地，本吸能单元材料脆，弹性变形小于5％；

任选地，本吸能单元材料弱，朔性变形不反弹，压溃强度小于0.6兆帕。

任选地，各所述吸能单元的σ、∈、ρ相同。这样，可组成均匀的吸能防护结构或者均匀系统。

附图说明

图1为压应力与应变之间的关系的示意图。

具体实施方式

坠落人体在触地前是有速度的，是有动能的。速度越大，动能越大，当人体的动能是零时，就停止运动了。坠落人体在触地一瞬间，动能被地面完全吸收。在动能被吸收的短暂过程中，人体会受到两种载荷的伤害，一种是冲击载荷，是人体与地面相互接触处的作用力；另一种是人体内各点的减加速度载荷，作用在体内每点。如果坠落人体的动能在完全被吸收的短暂过程中，有方法能减轻人体所受到的冲击载荷和加速度载荷，人体的伤害程度就会减轻。本专利就是基于此原理，设计出一种特定的吸收坠落人体动能的系统方法，在人体的动能被吸收的过程中，使两种载荷水平减轻或低于伤害到人体的水平。为此，本发明提供了人体坠落防护吸能系统，系统包括一个或多个易碎的吸能单元形成的可压溃的吸能防护结构，所述吸能防护结构受坠落人体冲击时会在厚度方向发生压溃应变。所述吸能防护结构包括如下特性：(1)吸能防护结构的压溃应变过程是个局部现象，吸能防护结构被压溃的面积和受人冲撞的接触面大小相当；(2)每个所述吸能单元由整体性完好的轻质脆性材料组成。

本吸能系统在安装此系统前，要对安装环境和条件进行调查，提出最佳安装位置和覆盖面积。

本吸能系统安装在人体可能的坠落方向上的水平支撑面上。在它受到坠落人体冲击时，与人体接触部分的系统接触面局部，通过不断地牺牲自身的过程，或不断地被坠落人体压溃破坏掉的过程，使坠落人体的动能在比较小载荷水平下逐渐地被系统吸收掉，直到坠落人体停止，从而减轻人体在如果没有此系统情况下的伤害程度。

每个所述吸能单元有如下特性：

(1)在被压溃过程中，直至接近压实开始点时，吸能单元保持相对不变的压溃强度；

(2)进入朔性压溃阶段之后，当压缩停止时，吸能单元不会有反弹。

通常，系统的吸能单元有特定的强度、密度和压溃破坏下的特征，所述特定的指视防护效果需要而定。

任选地，所述轻质脆性材料有如下力学特性(见图1)：(1)进入朔性压溃阶段前，材料几乎没有弹性变形阶段；在整个朔性压溃阶段，直至接近材料压实开始点时，材料保持相对不变的压溃强度。(2)进入朔性压溃阶段之后，当压缩载荷卸载时，材料不会有反弹。(3)材料的压溃应变过程是个局部现象。

任选地，本吸能系统在同一水平面上包括至少两个吸能单元，各单元之间留有很小的空隙。留有空隙的目的是：为了日常情况下系统的通风和排水；当系统的随温度变化热胀冷缩时，保持系统的结构稳定完好和耐久性；当系统吸收坠落人体动能时，材料的快速挤压溃变，会造成系统内局部的过高气压，为了系统的完好，空隙起到释放内部压力的功效；同时可以给坠落人体提供必要的呼吸用空气。但各个单元的空隙不宜过大，过大会影响到系统的吸能效果，人体的截面积和吸能单元的平面尺寸会影响到允许空隙的最大值。为了保持空隙的通畅，要保持各吸能单元平面形状和平面尺寸一样，上下单元要对齐，不要错位。各单元的形态、密度、强度、高度、单元的垂直方向的层数、和水平覆盖面积，是根据防护人体的坠落高度区间，系统的安装位置和坠落人体的组成特征来决定的。

任选地，本吸能系统中吸能单元中的平面尺寸如果过大，这种情况常会发生在每层只有一个单元时，结果会使其平面面积过大；如果它是密闭多孔介质材料所组成的，考虑到坠落人体对材料的快速挤压溃变，会造成局部的过高气压；为了系统的完好，要在其厚度方向有通孔，间隔大约是人体的特征长度，孔的截面积和孔的密度不能影响系统的吸能特性。这里的人体特征长度定义是人体截面积的平方根。

本吸能系统可以在设计楼房时统一考虑，使此系统成为建筑物建设中的一个部分；也可以对已有建筑物进行改装来加装此系统。这里的两种安装方式，都是永久性的装有坠落人体防护系统，系统随时待命。此系统也可做成可以机动的，需要时临时拖或吊装到位。

本吸能系统可以在现场组装，也可以组装完运抵现场。

本吸能系统顶部，可有防水表面，防止雨水直接进入系统中的吸能单元。如果有大量的水滞留系统中，在冬天可能会出现材料的融冻破坏。防水表面可以是整体一片盖住系统的整个表面，也可以是分别盖住第一层每一个吸能单元表面。防水表面材料应该是柔软易折叠且易撕裂成小片的轻质材料。

本吸能系统覆盖的区间是由坠落人体的可能落点来决定的。系统覆盖的区间越大，保护坠落人体的范围越广。各层吸能单元叠加起来，是吸能系统的厚度，此厚度由人体坠落高度、保护人体特征、吸能单元强度和密度、目标冲击载荷和加速度过载等因素确定。

任选地，本吸能单元材料轻，密度不会超过0.6吨/米³。

任选地，本吸能单元材料脆，弹性变形小于5％；

任选地，本吸能单元材料弱，朔性变形不反弹，压溃强度小于0.6兆帕。

任选地，本吸能系统吸能单元的材料压溃强度σ相同或不同。根据设计条件，每层单元可以是一样的吸能能力(强度)；也可以设计成顶部第一层相对比较弱，然后逐层强度增加。顶部第一层相对比较弱，有利于在人体最初接触系统时，减少冲击载荷突然增加的动态效应对人体的局部伤害。

本吸能单元的轻质脆性材料，可以是轻质多孔介质，例如轻质低强度的发泡混凝土，发泡玻璃，发泡陶瓷等。也可以选取有类似材料特性的脆弱材料。

本吸能系统中吸能单元的尺寸大小，主要根据生产、搬运、运输、安装、便利等因素来决定。

本吸能系统中吸能各单元的密度、强度、高度、单元的垂直方向的层数，可按照如下程序决定：

(1)如果人体的坠落高度距离吸能防护结构的上表面的高度差是H，可推算出坠落人体落到系统时的最大垂直速度是这里g是重力加速度。

(2)根据动量定理，可近似推算出材料对人体产生的动载荷是ρAV²。这里ρ是材料的密度，A是人体与材料接触部分的截面积。

(3)如果材料的压溃强度是σ，可近似推算出材料对人体产生的静载荷是σA。

(4)人体在开始接触系统的时候，近似会有的总载荷＝动载荷+静载荷＝(ρV²+σ)A＝(2ρgH+σ)A，作用在人体与系统表面相互接触处。对均匀单元组成的系统，这是在拦停人体过程中最大可能的冲击载荷，因为，在最初接触系统时，速度最快，意味著动载荷部分最大。

(5)人体在开始接触系统的时候，如果人体质量是m，根据总载荷＝(2ρgH+σ)A，可推算出坠落人体此时的近似最大加速度过载是[-(2ρgH+σ)A]/(mg)]，单位是g。对均匀单元组成的系统，这是在拦停人体过程中最大可能的加速度过载。

(6)对均匀强度的系统，如果拦停人体的最大期望过载目标值是K(单位是g)，则吸能材料的密度和强度要满足：[(2ρgH+σ)A]/(mg)＜K。此公式揭示了，在选取吸能材料的密度和强度时，要考虑到人体的坠落高度，坠落姿态，人体质量和截面积。坠落姿态会影响到截面积A和最大过载目标值是K的选取。人体质量和截面积对不同的人群是不同的，所以在设计时，要综合考虑到可能受害人的年龄、性别、坠落姿态、安全余量等因素，找出一个密度和强度要求范围，优化最终设计。

(7)上述(6)中，密度和强度的选取要满足[(2ρgH+σ)A]/(mg)＜K关系式，根据经验，对有些材料，密度ρ和强度σ有很好的关联性，因此对这种情况，可以唯一求解出密度ρ和强度σ。当密度ρ和强度σ没有很好的关联性时，这种情况往往会在强度很低或很轻的材料中见到，利用上述关系式求解密度ρ和强度σ可能不唯一，可以根据经济性和工程最佳可行性考虑来优化选取。

(8)吸能系统吸能防护结构的最低总厚度h是这样决定的：假定接近常值的压溃强度的最大应变是∈，那么材料在压溃强度增加之前可吸收的能量就是∈hσA。坠落人体动能是1/2mV²＝mgH。由于材料很轻，坠落人体动能可近似等于材料在压溃强度增加之前所吸收的能量，可得h＝mgH/(∈σA)。此公式揭示了，系统的设计的最低总厚度h，与材料强度，楼房高度，坠落姿态，人体质量和截面积有关。同时坠落姿态会影响到截面积A。人体质量和截面积对不同的人群是不同的，所以在设计时，要综合考虑到可能受害人的年龄、性别、坠落姿态、安全余量等因素，找出一个厚度h要求范围，优化最终设计。从关系式可以得到：人体越轻、坠落高度越小、接触面积越大、压溃强度越大，系统的总厚度越小。

(9)系统的单元层数可由前述的厚度h除以单元的厚度获得。

(10)坠落人体的在系统中的平均过载值G约是G＝gH/(∈h)。人体在系统中停止下来所用时间T1约是人体在接触系统前留空时间T2约是

(11)工程设计示例：如果楼高H＝80米，人体最大过载K＝90g，平均人体质量m＝50公斤，各吸能单元的材料强度σ＝0.2兆帕，人体与材料接触时的平均水平截面积A＝0.12平方米，各吸能单元的常值压溃强度下最大压溃应变∈＝0.75，重力加速度g＝9.8米/平方秒。带入前述公式可以求得：系统吸能防护结构的最低厚度h＝2.2米，各吸能单元的材料密度ρ＜107公斤/立方米，坠落人体的近似平均过载值G＝49g，人体在系统中停止下来近似所用时间T1＝0.08秒，人体在接触系统前近似留空时间T2＝4秒。从上例看出，人体在系统中停止时间很短，所以选取了比较大的过载，人体在系统中的最大过载是90个g，计算得出近似平均过载值是49个g。在这么高的g过载下，人体也许已经受到伤害，但也许不会造成死亡，但可以肯定地说，人体所受载荷远远小于没有此吸能系统的情况(人体硬着陆在远高于吸能材料强度的地面)。

Claims (10)

1.一个人体坠落防护吸能系统，包括一个或多个易碎的吸能单元形成的可压溃的吸能防护结构，所述吸能防护结构受坠落人体冲击时会在厚度方向发生压溃应变。

2.如权利要求1所述的系统，其特征是，所述吸能防护结构包括如下特性：(1)吸能防护结构的压溃应变过程是个局部现象，吸能防护结构被压溃的面积和受人冲撞的接触面大小相当；(2)每个所述吸能单元由整体性完好的轻质脆性材料组成。

3.如任一在先权利要求所述的系统，其特征是，每个所述吸能单元有如下特性：

(1)在被压溃过程中，直至接近压实开始点时，吸能单元保持相对不变的压溃强度；

(2)进入朔性压溃阶段之后，当压缩停止时，吸能单元不会有反弹。

4.如任一在先权利要求所述的系统，其特征是，各所述吸能单元在竖直方向的总厚度h由下列因素决定：所述吸能单元的材料压溃强度σ、所述吸能单元的接近常值的压溃强度的最大材料应变∈、人体坠落点高度H、坠落人体质量m和坠落人体平均水平截面积A，h与H和/或m正相关，与σ、∈和/或A成反比。

5.如权利要求4所述的系统，其特征是，各所述吸能单元的σ、∈相同，所述总厚度h≥mgH/(∈σA)，g为重力加速度。

6.如任一在先权利要求所述的系统，其特征是，各所述吸能单元的材料压溃强度σ和材料密度ρ，由下列因素决定：人体坠落点高度H、坠落人体质量m和坠落人体平均水平截面积A，和拦停人体的最大过载目标值K；如，各所述吸能单元的σ、∈、ρ相同，所述吸能单元的材料压溃强度σ和材料密度ρ满足：[(2ρgH+σ)A]/(mg)＜K。

7.如权利要求2-6任一项所述的系统，其特征是，所述轻质脆性材料有如下力学特性：

(1)进入朔性压溃阶段前，材料几乎没有弹性变形阶段；在整个朔性压溃阶段，直至接近材料压实开始点时，材料保持相对不变的压溃强度；

(2)进入朔性压溃阶段之后，当压缩载荷卸载时，材料不会有反弹；

(3)材料的压溃应变过程是个局部现象。

8.如任一在先权利要求所述的系统，其特征是，所述吸能单元的材料密度ρ，不超过0.6吨/米³。

9.如任一在先权利要求所述的系统，其特征是，所述吸能单元的材料弹性变形小于5％。

10.如任一在先权利要求所述的系统，其特征是，所述吸能单元的材料压溃强度σ小于0.6兆帕。