CN111787823A

CN111787823A - 减震结构

Info

Publication number: CN111787823A
Application number: CN201980015563.9A
Authority: CN
Inventors: 詹姆斯·E·T·库克; 安东尼·耶路撒冷; 克莱夫·西维尤
Original assignee: Oxford University Innovation Ltd
Current assignee: Oxford University Innovation Ltd
Priority date: 2018-02-27
Filing date: 2019-02-27
Publication date: 2020-10-16
Also published as: WO2019166806A1; US20210001560A1; GB201803206D0; EP3713438A1

Abstract

设计减震结构的方法。该方法确定物体施加在结构(11)上的力，该力是物体在撞击过程中移动结构表面的距离的函数。该方法计算物体在结构上施加的力相对于撞击过程中物体移动减震结构表面的距离的积分与物体在撞击过程中在减震结构上施加的最大力和物体在撞击过程中使减震结构的表面移动的总距离的乘积的比率。该方法还确定最大化比率的结构特征变量的对应值，以用于设计所述结构。

Description

减震结构

本发明涉及减震结构，尤其涉及用于保护穿戴者免受伤害的可穿戴式减震结构。本发明还涉及设计减震结构的方法和制造减震结构的方法。

当人或物体受到足够大的撞击时，可能会造成人身伤害或物体损坏。为了生产能够提供保护以免受潜在的破坏性或伤害性撞击的材料和结构，已经投入了相当大的开发性努力。

撞击保护对于防止头部受伤特别重要。头部受到打击会导致创伤性颅脑损伤(TBI)。脑部创伤可能是由于对头部的局部撞击、颅骨内突然的加速或减速、或撞击与运动的结合所致。TBI可能导致具有有限的治疗选择的长期健康状况。其他头部受伤可能包括皮肤撕裂伤或颅骨骨折。

头部受伤的常见原因是参加运动。例如，骑自行车时摔倒可能导致骑车人的头部撞击坚硬的坚固物体或表面。为了帮助防止这种伤害，头盔在许多运动中是习惯或强制性的，例如骑自行车、摩托车、骑马、攀岩和美式足球，以及冬季或冰上运动，例如滑冰、冰球和滑雪。头部受伤的另一个常见原因是建筑物或建筑工地上的坠落物造成的撞击。

WO 2016/125105公开了一种撞击吸收头盔，其包括作为内部抗撞击衬里的空心单元结构。这种结构有助于在涉及撞击时通过包含该结构的头盔在给定位移上增加耗散的能量，同时限制传递给穿戴者的力。

本发明试图提供一种改进的减震结构以及设计这种结构的方法。

从第一方面看，本发明提供了设计减震结构的方法；该方法包括：

确定在物体撞击减震结构的外表面上的过程中物体在减震结构上施加的力，该力是物体移动减震结构外表面的距离的函数；

计算相对于撞击过程中物体移动减震结构外表面的距离的物体在减震结构上施加的力的积分与物体在撞击过程中在减震结构上施加的最大力和物体在撞击过程中移动减震结构的外表面的总距离的乘积的比率；和

确定减震结构的一个或多个特征变量的对应值，该值使用于设计减震结构的所述比率最大化。

因此，本发明提供了设计减震结构的方法。通过根据撞击过程中物体移动到结构中的距离确定物体施加在结构上的力来设计减震结构。

力的这种确定用于计算相对于物体在撞击过程中移动结构外表面的距离的力的积分。物体在撞击过程中施加在结构上的最大的力与物体到结构外表面中的总位移的乘积也被计算出来(即，限制在撞击过程中物体的力-位移曲线的矩形)。然后将其用于计算积分与最大力和总位移的乘积之比率。

为了确定减震结构的一个或多个特征变量的对应值(然后可以将其用于设计结构)，将积分与最大力和总位移的乘积之比率最大化，例如通过改变物体撞击结构的一个或多个特征变量的值。(如下所述，可以使用其他客观度量代替或辅助比率，确定用于设计减震结构的特征变量。)

将会认识到，通过使在撞击过程中(例如，该撞击具有特定能量并传递特定冲击力)减震结构的所述比率和因此力-位移曲线下的面积最大化，有助于优化结构的负荷减轻。改善结构的负荷减轻有助于改善该结构所提供的安全性，例如当它形成头盔的一部分时(并因此能够帮助减少在撞击中引起TBI的可能性)。这是因为使力最小化有助于减小结构在撞击过程中经历的峰值加速度(以及因此撞击物体经历的峰值减速度)，这有助于降低伤害持续的可能性。

此外，例如，在安全约束内，减震结构的一个或多个特征变量的优化有助于改善该结构的性能。这是因为，至少在本发明的优选实施例中，减震结构的重量和厚度中的一者或两者都能够在优化一个或多个特征变量的过程中被最小化，使得该结构在物体撞击到更薄和/或更轻的结构上时可以维持相同的冲击力。使减震结构的重量和/或厚度最小化可以帮助减少阻力和/或提高该结构对使用者的舒适度。

减震结构的一个或多个特征变量的对应值的优化还有助于为具有某些约束的结构，例如其形状和该结构的可预见的用途(例如，撞击场景)提供最佳的负荷减轻。例如，可能期望头盔具有特定形状以适合使用者的头部，并且可能需要头盔保护使用者的头部免受特定的最大力(例如，满足安全标准)。当最大化力-位移比时，通过优化方法评估结构的撞击响应，本发明的至少优选实施例能够设计将满足这些标准的合适的减震结构。

申请人已经发现，与例如通常在头盔中使用的传统泡沫相比，至少使用本发明方法的优选实施例设计的结构可以在负荷减轻方面提供大约两倍的改进。此外，至少该方法的优选实施例可以允许将减震结构针对特定的一组要求定制，例如使得可以用针对目标用户头部的特定形状定制的方式来设计安全帽。

减震结构(例如，将要设计的)可以是能够吸收撞击的冲击力的任何合适且期望的结构。在优选实施例中，该结构包括开放的空隙。优选地，减震结构包括蜂窝状结构或格子状结构。在一个实施例中，减震结构包括蜂窝状结构。

蜂窝状结构优选地包括多个镶嵌的蜂窝，其中多个蜂窝(例如，每个蜂窝)具有多个侧壁(例如，与相邻的蜂窝共享)。蜂窝状结构可以包括多个顶点，该多个顶点具有在其间延伸的多个侧壁。可以对顶点中的一个或多个顶点进行预弱化，例如以减少撞击过程中减震结构所承受的峰值力。

优选地，(例如每个)单元在侧壁内是中空的。具有中空空隙的蜂窝状结构可以帮助改善减震结构的通风，例如当在头盔中使用时。

优选地，多个侧壁垂直地延伸至减震结构的(例如内和/或外)表面(以及例如在其之间)，例如沿着径向方向延伸。优选地，单元(例如，每个单元)具有(例如，规则的)多边形横截面(例如，在基本垂直于侧壁延伸方向的方向上)。因此，优选地，侧壁基本上是平坦的并且，例如，沿着表面法线方向、垂直于局部表面切线延伸。

因此，优选地，蜂窝状结构的单元包括二维(例如，镶嵌)形状，该二维形状沿着减震结构(例如，“柱状”单元)的(例如，内和/或外)表面法线方向投影。应当理解的是，当减震结构的表面是平坦的时，这导致单元壁彼此平行地延伸；当结构的表面弯曲时，单元壁将彼此分离或会聚。

在一个实施例中，对于以这种方式镶嵌的这些形状，多个单元可各自具有相同的横截面形状，例如三角形、正方形或六边形。在一些实施例中，多个单元可以由多种不同的形状镶嵌而成，例如正方形和八边形、三角形和正方形、六边形和三角形或其任意组合。除了规则多边形之外，多个单元还可以包括一些不规则多边形或形状。优选地，镶嵌单元形成周期性的瓦片状平铺。

格子状结构优选地包括在多个顶点之间延伸的多个支柱。支柱可包括壁(例如，在二维上延伸)，但是优选地，支柱基本上仅在一个方向(即，在顶点之间的方向)上延伸。因此，优选地，(例如，每个)支柱在其在顶点之间延伸的方向上的尺寸明显大于垂直于该方向的尺寸。可以对顶点中的一个或多个顶点进行预弱化，例如以减少撞击过程中减震结构所承受的峰值力。

减震结构(例如，将要设计的)可以具有任何合适的和期望的整体形状(在其中具有任何合适的和希望的结构，例如，如上所述)。

因此，减震结构可以是平坦的，例如具有平坦的内表面和/或平坦的外表面(被设计为与撞击物相撞的侧面)。因此，当减震结构包括蜂窝状结构时，优选地，单元的侧壁在(例如平坦的)内表面和(例如平坦的)外表面之间延伸，并且侧壁基本上彼此平行。

在一组优选的实施例中，减震结构包括弯曲的(例如凸形的)外表面。减震结构还可包括弯曲的内表面。因此，例如当该结构被设计用于头盔时，减震结构优选地包括圆顶、帽或(例如中空的)半球。

优选地，减震结构的外表面包括特定的曲率半径。如以下将概述的，优选地，当使比率最大化时，曲率半径被用作输入参数(例如，约束)，使得针对特定曲率半径设计减震结构的(一个或多个表征变量)。这有助于为具有特定曲率半径的减震结构提供最佳的负荷减轻。

技术人员将理解，与平坦结构相比，设计具有弯曲的外表面的减震结构提出了另外的挑战，这使得设计可在撞击过程中提供平面力-位移响应的结构更加困难。传统的减震结构在设计时没有考虑其表面曲率，例如，传统的头盔没有针对使用者头部的形状和大小进行定制。这导致次优的负荷减轻并因此增加受伤的风险(例如，当用户穿着传统的减震结构来保护自己时)，或者导致结构的性能特性不佳。

当物体撞击具有弯曲外表面的减震结构时，物体与减震结构之间的接触面积通常不是恒定的并且可能改变。例如，当具有凸出的外表面的减震结构撞击平坦物体(例如头盔撞击路面)时，接触面积将随着撞击的进行而增加并且路面使该结构的外表面移位。结果是合力可能与应力不成比例。

此外，变形模式随着撞击物和弯曲的外表面之间的接触区域的不同部分可能是不同的，对于具有平坦外表面的结构可能不是这种情况(其中，例如，变形模式对于撞击过程中的整个接触区域而言可能是相同的)。例如，减震结构的直接在撞击物下方的部分可能受到压缩，而减震结构的在接触区域的边缘处的部分可能受到弯曲。本领域技术人员将意识到，这是一个复杂的过程，该过程不能使用根据平坦物体对平坦减震结构的撞击进行建模的过程。因此，这使得设计具有弯曲的外表面的减震结构变得很有意义，从而提供了安全的撞击防护。

因此，为了提供在撞击过程中(接近)平坦的力-位移曲线——在该撞击过程中物体与减震结构的外表面之间的接触面积发生变化，这是在该结构性能(通过确定该结构的一个或多个特征变量进行优化)和变化的接触面积之间权衡。即使在撞击过程中它们之间的接触面积发生变化，这也有助于保持撞击物与减震结构之间的力与距离的矩形关系。因此，至少本发明的方法的优选实施例允许针对特定的表面曲率设计减震结构。

减震结构外表面的曲率半径可以是恒定的，例如，减震结构可以包括球形的一部分(例如球形壳体的一部分)。在一个实施例中，曲率半径可在减震结构的(内和/或外)表面上变化，例如，减震结构的形状(例如，符合人体工程学)可以与使用者身体(或其一部分)的形状相符。因此，减震结构的外和/或内表面的曲率半径可具有特定的最大和/或最小曲率半径。

可以根据物体以任何合适和期望的方式使结构外表面移动的距离来确定物体施加在减震结构上的力。在一个实施例中，使用实验数据确定物体施加在减震结构上的力，例如物体撞击减震结构的实验数据。

实验数据可以包括以下项中的一项或多项：单轴压缩数据，张力数据，(例如准静态四点)弯曲测试数据和减震结构(或其组件)的(例如中度)应变率压缩测试数据。因此，优选地，该方法包括：将物体撞击在减震结构上，以根据物体在撞击减震结构外表面期间移动减震结构外表面的距离来确定物体施加在减震结构上的力。

优选地，收集多条实验数据，例如针对不同的减震结构(例如对于特征变量具有不同的值)和/或针对具有不同的撞击能量(例如不同的质量和/或撞击速度)和/或尺寸的物体。

在一个实施例中，通过分析上或数值上确定由物体施加在减震结构上的力。优选地，使用实验数据校准在力的分析或数值确定中的模型参数。

在一个实施例中，通过模拟物体在减震结构上的撞击来确定物体施加在减震结构上的力。因此，优选地，该方法包括：模拟物体在减震结构上的撞击，以根据物体撞击在减震结构的外表面的过程中移动该减震结构外表面的距离来确定物体施加在减震结构上的力。

这种模拟可以使用实验数据作为分析或数值模拟的输入或验证。优选地，该模拟使用有限元分析。

计算相对于撞击过程中物体移动减震结构外表面的距离的物体施加在减震结构上的力的积分与物体在撞击过程中在减震结构上施加的最大的力和物体在撞击过程中使减震结构的外表面移动的总距离的乘积的比率。这评估了减震结构(例如，其具有一个或多个特征变量的特定值)作为负荷减轻器的效率。

高比率表明，针对撞击，有助于最大化对于给定峰值负荷(即力)和位移可以完成的功。这还表明，对于需要完成的功的量，有助于最小化峰值负荷和位移。当减震结构形成保护装置(例如头盔)的一部分时，这有助于减少(例如头部)受伤。这还帮助改善减震结构的性能，例如通过减小减震结构的厚度和/或重量。比率为1(即矩形的负荷-位移响应)表示该结构对于撞击物具有100％的效率。

被确定为使比率最大化的减震结构的一个或多个特征变量可包括作为减震结构的特征(例如，限定特性)的任何合适的和期望的变量。

在一个实施例中，(一个或多个)特征变量包括以下一项或多项：减震结构的质量，结构的密度，结构的尺寸，结构的(例如，内部和/或外部表面的)曲率半径，结构的材料，材料的杨氏模量，材料的泊松比，材料的屈服应力和材料的应变硬化功能。

当减震结构包括蜂窝状结构(例如，包括(例如，每个)具有多个侧壁的多个镶嵌单元)时，优选地，特征变量包括以下一项或多项：侧壁的厚度(例如，在侧壁法线的方向上)，单元的特征长度(例如，单元的宽度(例如，在结构的底部处))(例如，在平行于结构的(内部)表面的方向上(例如，在结构的底部处))，单元的高度(即，该结构的厚度)(例如，沿着结构的表面法线的方向)和单元的(例如，二维横截面的)形状。

当减震结构包括格子状结构(例如，包括在多个顶点之间延伸的多个支柱)时，优选地，特征变量包括以下一项或多项：支柱的长度，支柱的厚度和支柱的(例如局部的，例如横截面的)几何形状。

可以在减震结构上以统一的方式确定特征变量的值(例如，使得对于整个减震结构，特征变量具有相同的值)。在一个实施例中，可以在减震结构上变化的方式确定特征变量的值。例如，特征变量的值可以根据特征变量中的其他变量或一个或多个约束条件来确定(如下所述)。特别地，当减震结构弯曲时，可以根据结构的(例如，外和/或内)表面的曲率半径确定特征变量的值。

可以以任何合适和期望的方式来确定使比率最大化的减震结构的一个或多个特征变量的对应值。确定使比率最大化的格子状或蜂窝状结构的一个或多个特征变量的对应值的步骤可以包括根据减震结构的一个或多个特征变量而使比率最大化，例如，通过改变一个或多个特征变量的对应值使比率最大化。

在一个实施例中，确定使比率最大化(或适当时优化客观度量)的减震结构的一个或多个特征变量的对应值的步骤包括重复确定物体施加在减震结构上的力(或例如加速度)并计算比率的步骤(例如，物体在减震结构上的撞击被执行了多次)。优选地，对于一个或多个特征变量(例如，每个)的多个不同(例如，一组)相应的值，重复确定物体施加在减震结构上的力并计算比率的步骤，例如，以计算相应的比率，以便可以确定使比率最大化的特征变量的最优的(例如，一组)值。这些重复步骤可包括本文概述的任何优选和/或可选特征，例如，这些特征与确定物体施加在减震结构上的力以及计算比率的步骤相关。

可以用任何合适和期望的方式，例如通过重复上述步骤，使比率(或其他客观度量)最大化(或适当时优化)。在一个实施例中，例如使用有限元分析，使比率在数值上最大化。这可以使用双线性插值或(例如，多个)线性回归。

应当理解的是，在特征变量的值的所有可能的变化上确定比率的绝对最大值(或以其他方式优化客观度量)可能并非总是可能或至少可行的。因此，优选地，在一个或多个约束内确定使比率最大化的减震结构的一个或多个特征变量的对应值。在该实施例中，优选地，该方法包括设置一个或多个约束并且在一个或多个约束内使比率最大化。

一个或多个约束可包括一个或多个特征变量的每个对应值中的上限和/或下限，例如，减震结构的与人头部的典型尺寸相对应的(例如，内表面和/或外表面的)最大和/或最小曲率半径。对于头盔，最小曲率半径可以是60mm，最大曲率半径可以是140mm(这些对应于人头部的典型尺寸)。

一个或多个约束可以包括蜂窝状结构的最大和/或最小单元宽度，例如最小为10mm，最大为50mm。低于最小单元宽度，蜂窝状结构可能会变得过于密集；超过最大单元宽度，蜂窝状结构的单元可能变得过大，并且由于单元壁之间的空间非常重要并因此不可预测，给受物体撞击位置影响的负荷响应太多的可变性。

一个或多个约束可以包括蜂窝状结构的最大和/或最小单元壁厚度，例如最小0.4mm和最大5mm。单元壁厚度小于最小值可能会导致结构过于脆弱；大于最大值的单元壁厚度可能变得太密。

一个或多个约束可以包括蜂窝状结构的最大和/或最小单元高度，例如最小为10mm，最大为30mm。低于最小值的单元高度可能会在碰撞过程中致密化，进而增加传递的力；单元高度超过最大值可能会提供太重的减震结构。

一个或多个约束可以包括蜂窝状结构的最大和/或最小相对密度(对于某些结构，其可以由2t/w近似，其中t是单元壁厚度，w是单元宽度)，例如最小值为0.025，最大值为0.07。低于最小相对密度的结构可能会在撞击过程中致密化；高于最大相对密度可能提供太稠密的结构(例如，比发泡聚苯乙烯更稠密)。

一个或多个约束可以包括确定物体施加在减震结构上的力并计算比率的步骤的最大重复次数，该步骤可以针对一个或多个特征变量的多个不同的对应值(例如，每个)重复进行。

在一个实施例中，一个或多个约束包括安全标准，例如，在使用减震结构时的最大允许减速度或峰值力。例如，在安全标准BS EN 1078中，自行车头盔在涉及撞击时的最大允许减速度为250g(其中g为重力加速度)。例如，在帮助最大化比率时，可以放弃考虑具有如下特征的(例如一组)值的(一个或多个)特征变量的减震结构，该特征变量导致在撞击过程中的峰值力大于安全标准所允许的最大峰值力。

在一个实施例中，约束包括避免致密化的要求，因为这可能导致物体在减震结构上的力的峰值。例如，在帮助最大化比率时，可以放弃考虑具有如下特征的(例如一组)值的(一个或多个)特征变量的减震结构，该特征变量在撞击过程中导致致密化。

应当理解的是，使比率最大化的特征变量的值可以是唯一的(例如，一组)值。可替代地，(一个或多个)特征变量的(一个或多个)值(例如每一个)可以被确定为(一个或多个)值的范围。这可能有助于为减震结构创造一个“设计空间”。

对于撞击减震结构的多个不同的撞击物(例如具有多种不同的形状、尺寸、质量和/或速度)，可以重复该方法(例如，至少是确定物体在减震结构上施加的力并计算比率的步骤)，例如，在减震结构的多个不同位置上。然而，在一个实施例中，当重复该方法以使比率最大化时，使用相同的物体(例如，具有特定形状、尺寸、质量和/或速度等的物体)。

优选地，选择具有特定质量和特定速度的物体以提供测试减震结构以满足安全标准所需的最大冲击力。在一个实施例中，撞击物具有5kg的质量和5.4ms^-1的速度(例如以满足安全标准BS EN 1078)。

在一个实施例中，客观量度是在物体与减震结构撞击期间，减震结构的峰值加速度。

在一个实施例中，客观量度是在物体与减震结构撞击期间减震结构的头部伤害标准(HIC)。HIC是因撞击而导致头部受伤的可能性的量度，并且定义为：

其中t1和t2是HIC达到最大值的时间间隔的初始和最终时间(以秒为单位)，减震结构的加速度a以标准重力为单位进行测量。

在一个实施例中，客观度量是归一化位移，其被定义为物体撞击减震结构的压入距离(即物体相对于内表面移动减震结构外表面的距离)与减震结构的原始厚度的比率。因此，归一化位移提供了在撞击过程中减震结构被压缩多少的度量。应当理解的是，具有较大归一化位移的结构能够在撞击过程中吸收更多的能量。

在一个实施例中，客观度量是物体与减震结构撞击中的减震结构的初始峰值应力(即强度)。

从上面将认识到，可以使用许多不同的客观度量来评估结构在减轻撞击方面的有效性，因此，从另一方面来看，本发明提供了一种设计减震结构的方法；该方法包括：

确定在物体撞击到减震结构外表面上时减震结构的加速度；

使用加速度来计算减震结构减轻物体对减震结构的撞击能力的客观度量；和

确定减震结构的一个或多个特征变量的对应值，这些值优化了用于设计减震结构的客观度量。

通过优化客观度量，这可以帮助设计减震结构，该结构具有优化的能力来减轻物体对减震结构的撞击。如本领域技术人员将认识到的，本发明的该方面适当时可以并且优选地包括本文所讨论的本发明的任何一个或多个或所有的优选和可选特征。特别地，与本文概述的力有关的任何优选和可选特征也可以等同地(如果适用)应用于加速度。类似地，与本文概述的比率有关的任何优选和可选特征也可以等同地(如果适用)应用于相关的客观度量。

因此，优选地，计算客观度量的步骤可以包括以下一项或多项：计算在物体与减震结构撞击期间减震结构的峰值加速度，计算在物体与减震结构撞击期间减震结构的HIC，计算来自物体与减震结构撞击的减震结构的归一化位移，计算来自物体与减震结构撞击的减震结构的初始峰值应力，以及计算相对于在撞击期间物体移动减震结构外表面的距离的物体在减震结构上施加的力的积分与在撞击期间物体在减震结构上施加的最大的力和在撞击期间相对于内表面物体移动减震结构外表面的距离的乘积的比率。

因此，优选地，该方法包括根据在物体撞击到减震结构外表面上的过程中物体相对于内表面移动减震结构外表面的距离，确定物体施加在减震结构上的力。优选地，该力是根据在撞击过程中减震结构的加速度(例如，作为时间的函数)而确定的。

优选地，优化用于设计减震结构的客观度量的确定减震结构的一个或多个特征变量的相对值的步骤可以包括以下一项或多项：优化在物体撞击减震结构的过程中减震结构的峰值加速度，最小化物体撞击减震结构的过程中减震结构的HIC，优化来自物体撞击减震结构的减震结构的归一化位移，优化来自物体撞击减震结构的减震结构的初始峰值应力，以及最大化相对于在撞击过程中物体移动减震结构外表面的距离的物体在减震结构上施加的力的积分与在撞击期间物体在减震结构上施加的最大力和在撞击期间相对于内表面物体移动减震结构外表面的总距离的乘积的比率，例如，当相应的客观度量已确定时。

该方法可以用任何合适和期望的方式并且在任何合适和希望的平台上执行。在优选实施例中，设计减震结构的方法是计算机执行的方法，例如，该方法的步骤由处理电路执行。

至少可以部分地使用例如计算机程序的软件来执行与本发明一致的方法。因此理解，从其他方面来看，本发明提供了安装在数据处理器上时专门适于执行本文所述方法的计算机软件；包含计算机软件代码部分的计算机程序元件，当该程序元件在数据处理器上运行时用于执行本文所述方法；以及计算机程序，其包含适于在数据处理系统上运行所述程序时执行方法或本文所述方法的所有步骤的代码。

本发明还扩展到一种计算机软件载体，该计算机软件载体包括设置成执行本发明方法的步骤的这种软件。这样的计算机软件载体可以是诸如ROM芯片、CD ROM、DVD、RAM、闪存或磁盘之类的物理存储介质，或者可以是诸如导线式电子信号、光信号或无线电信号例如卫星等之类的信号。

还将认识到，并非本发明方法的所有步骤都需要由计算机软件来执行，因此，从进一步的广泛实施例中，本发明提供了用于执行本文所述方法的至少一个步骤的计算机软件以及安装在计算机软件载体上的这种软件。

因此，本发明可以适当地体现为与计算机系统一起使用的计算机程序产品。这样的实现可以包括一系列计算机可读指令，其固定在有形的非暂时性介质上，例如计算机可读介质，例如软盘、CD ROM、DVD、ROM、RAM、闪存或硬盘。它还可以包括一系列可通过调制解调器或其他接口设备传输到计算机系统的计算机可读指令，其可通过有形的介质传输，包括但不限于光学或模拟通信线路，或使用无线技术无形地传输，包括但不限于微波、红外或其他传输技术。该一系列计算机可读指令体现了本文先前描述的全部或部分功能。

本领域技术人员将理解，可以用多种编程语言来编写这样的计算机可读指令，以用于许多计算机体系结构或操作系统。此外，可以使用当前或将来的任何存储技术来存储这样的指令，包括但不限于半导体、磁性或光学技术，或者可以使用当前或将来的任何通信技术来传输这些指令，包括但不限于光学、红外或微波。可以考虑，这样的计算机程序产品可以作为可移动介质分发，其带有随附的印刷或电子文档，例如，压缩包装的软件，预装有计算机系统，例如，在系统ROM或固定磁盘上，或从服务器或电子公告板通过网络例如Internet或万维网分发。

一旦执行了设计减震结构的上述方法(即，因此确定了减震结构的一个或多个特征变量的对应值)，优选地，该方法包括使用已经确定的减震结构的一个或多个特征变量的对应值来制造减震结构的步骤。

减震结构可以用任何合适和期望的方式来制造。优选地，使用增材制造例如激光烧结来制造减震结构。增材制造允许设计和制造以前无法使用常规技术制造的结构类型，或者可以允许更方便或更经济地构造结构，例如，对于每个制造过程之间几何形状发生显著变化的结构类型。

因此，优选地，该方法包括使用已经确定的减震结构的一个或多个特征变量的对应值来生成一组增材制造指令；并且优选地，根据增材制造指令来制造减震结构。

减震结构可以使用任何合适和期望的材料制造并且因此包括这些材料。在一个实施例中，减震结构由可逆变形的材料(例如，弹性体)制成和/或包括该材料。当减震结构是鞋类的一部分时，可以使用这种材料。在另一个实施例中，减震结构由不可逆变形的材料制成和/或包括不可逆变形的材料。

优选地，减震结构由聚合物制成，和/或包括聚合物，例如聚酰胺，例如聚酰胺11，或例如弹性体，例如热塑性弹性体，例如聚醚嵌段酰胺(PEBA)，例如ST PEBA 2301。当使用增材制造来制造减震结构时，优选地，使用聚酰胺11粉末(例如，PA 1101)或ST PEBA 2301来制造和/或包括它们。

优选地，本发明还扩展到根据以上概述的方法设计和例如制造的减震结构(例如头盔)。如本领域技术人员将认识到的，本发明的该方面适当时可以并且优选地包括本文所讨论的本发明的任何一个或多个或所有的优选和可选特征。

减震结构对于其特征变量可以具有任何合适的和期望的值。当减震结构包括蜂窝状结构时，例如头盔，单元宽度优选在10mm至50mm之间，例如在20mm至40mm之间，例如大约30mm。优选地，单元壁的厚度在0.4mm至5mm之间，例如在1mm至3.5mm之间，例如大约2mm。优选地，单元高度在10mm和30mm之间，例如在15mm和25mm之间，例如大约20mm。优选地，单元壁厚度的两倍与单元宽度的比率(即“相对密度”)在0.025至0.07之间，例如在0.04至0.06之间，例如大约0.05。

当减震结构是弯曲的(例如包括弯曲的外表面和/或内表面)时，优选地，结构的曲率半径(例如外表面和/或内表面的曲率半径)在60mm和140mm之间，例如在80mm和120mm之间，例如约100mm。这些是头部弯曲的示例图，并因此在减震结构包括例如头盔的情况下可能是合适的。应当认识到，例如当为个人设计定制的减震结构时，该结构的曲率可以适合于个人的测量。

优选地，本发明还扩展到减震结构本身。因此，从另一方面来看，本发明提供了一种用于保护使用者免受物体的撞击的减震结构，该减震结构包括具有多个镶嵌单元的蜂窝状结构，其中所述多个单元具有多个侧壁；

其中所述蜂窝状结构包括弯曲的内表面，所述弯曲的内表面的曲率半径在60mm和140mm之间；

其中多个单元的每个单元的宽度在10mm至50mm之间；

其中多个侧壁中的每个侧壁的厚度在0.4mm至5mm之间；和

其中多个单元中的每个单元的高度在10mm至30mm之间。

如本领域技术人员将认识到的，本发明的该方面适当时可以并且优选地包括本文所讨论的本发明的任何一个或多个或所有的优选和可选特征。

应当认识到，本发明的方法特别适合于设计和制造用于人体(例如人头)的减震结构(例如头盔)。此外，设计减震结构的方法意味着可以针对个人的特定测量进行定制。

因此，优选地，该方法包括测量将要设计和例如制造减震结构的人体(例如，人的头部)的形状和大小。优选地，该方法包括测量(例如一部分)人体的(例如最大和/或最小)曲率半径。这使得减震结构可以为特定的用户定制，不仅在形状上，而且减震结构的特征变量的值可以被优化，以设计定制的减震结构，其最大化负荷减轻的效率。

对于诸如增材制造的制造技术，将认识到，容易进行这种定制，因为它仅需要提供定制的指令集(而不是例如对于常规制造技术的定制模制)，本发明能够产生和提供该方法的实施例。

现在将参考附图仅以举例的方式描述本发明的某些优选实施例，其中：

图1示出了根据本发明实施例详述设计和制造头盔步骤的流程图；

图2示出了根据本发明实施例设计的蜂窝状蜂窝结构；

图3示出了物体撞击蜂窝状蜂窝结构的力-位移响应；

图4示出了蜂窝状蜂窝结构的单元壁厚度对单元宽度的关系图；

图5a、5b、6a、6b、7a、7b、8a、8b、9a和9b示出了根据本发明实施例设计的结构的特征变量的各种客观度量。

为了设计和制造针对其负荷减轻而优化的(例如，骑行的)头盔，现在将描述提供设计和制造这种头盔方法的本发明实施例。

图1示出了根据本发明实施例的流程图，该流程图详述了设计和制造用于减轻撞击的头盔的步骤。首先，例如使用3D扫描(图1，步骤1)来测量要戴头盔的使用者的头部尺寸。

使用这些尺寸，设计出具有蜂窝状蜂窝结构的头盔(图1中的步骤2)。图2示出了具有弯曲表面的蜂窝状蜂窝结构11。

蜂窝状蜂窝结构11是由曲面构成的，并有多个柱状六边形镶嵌单元12。单元12是中空的并且具有平坦的侧壁13，每个侧壁沿着表面法线的方向延伸(因此，任何一个单元12的侧壁13都不像在平面上形成的单元结构那样彼此平行)。

蜂窝状蜂窝结构11的初始设计是由多个特征变量的一组标称值制成。这可能取决于已测量佩戴头盔的头部的大小和形状。例如，单元高度、单元宽度和单元壁厚度可以被选择为要改变的特征变量。例如，可以选择单元高度为20mm、单元宽度为22mm和单元壁厚度为1.5mm的标称值集合。

对于标称头盔设计并使用适当的材料特性，例如聚酰胺11的材料特性，使用有限元分析模拟物体(半径为100mm的圆盘，质量为5kg和速度为5.4ms^-1)撞击在头盔的蜂窝状蜂窝结构的外表面上(图1，第3步)。有限元模型使用来自物体实际撞击到蜂窝状蜂窝减震结构上的实验数据进行校准。

对于模拟的撞击，确定由撞击物体施加在蜂窝状蜂窝结构上的力，该力是撞击物体移动蜂窝状蜂窝结构外表面的距离的函数(图1，步骤4)。图3显示了物体对蜂窝状蜂窝结构施加的力F的曲线图，该力F是物体对蜂窝状蜂窝结构外表面的位移d的函数(图3曲线图的蜂窝状蜂窝结构具有25mm的单元高度、30.6mm的单元宽度、1.1mm的单元壁厚度和100mm的曲率半径)。(在其他实施例中，例如，当确定不同的客观度量时，由于来自撞击物的撞击，该结构的加速度可以替代地或附加地确定，然后将加速度用于确定客观度量(图1，步骤5)。

使用撞击的力-位移响应(即，如图3所示)，可以计算出力相对于位移的积分(即，图3所示的曲线下方的面积)。这是蜂窝状蜂窝结构在撞击过程中所做的实际工。还可以计算最大力和总位移的乘积。这是蜂窝状蜂窝结构的理想功。这两个区域如图3所示。

计算出所选客观度量，例如，实际完成的功与蜂窝状蜂窝结构的理想功的比率(图1，步骤5)。在该实施例中，该比率给出了蜂窝状蜂窝结构的负荷减轻效果的量度。应当认识到，该比率越高，实际完成的功与完成的理想的功越接近，因此蜂窝状蜂窝结构在减震方面越有效。

然后更改蜂窝状蜂窝结构的特征变量的标称值(图1，第6步)，并重复物体撞击具有此新值集的蜂窝状蜂窝结构的模拟(图1，第3步)。这使得可以确定另一个力-位移关系(图1，第4步)，并计算出蜂窝状蜂窝结构的实际功与理想功的比率(图1，第5步)。

对多个不同的特征变量值集合重复这些步骤，以计算多个不同的比率，以便确定使比率最大化(或适当地优化目标度量)的最佳特征变量值集合。在一组边界条件内选择特征变量的值，如图4所示。

图4显示了蜂窝状蜂窝结构的单元壁厚度可接受范围与单元宽度之间的关系图，其上显示出恒定相对密度线(此处约为2t/w，其中t是单元壁厚度，w是单元宽度)。图4显示了对特征变量施加的边界，这些特征变量的值将在优化比率时进行探索。

从图4可以看出，单元壁厚度从0.4mm向上变化，单元宽度变化最高到到50mm(超过该尺寸，由于单元尺寸过大，对撞击位置的负荷响应的变化性太大)，并且单元壁厚度和单元宽度是不同的，所以相对密度在0.025和0.07之间(这样密度小于泡沫，但足够大以防止致密化)。

一旦已经计算出与边界条件内的特征变量的值相对应的比率，例如对于蜂窝状蜂窝结构的特定单元高度，则选择(例如数值上)最大化目标客观度量的一组特征变量的值，例如蜂窝状蜂窝结构的理想功与实际功的比率作为头盔的优化设计的输出(图1，第7步)。

图5a和5b示出了该比率(“CJS”)作为单元宽度和壁厚度的函数，其中施加了图4所示的边界。在图5a中，使用双线性插值法拟合了该比率；在图5b中，该比率已使用多元线性回归拟合。在这些图中，“数据点”分别表示来自单个模拟的数据。

图6a和6b显示了不同的客观度量，即峰值加速度(a_峰值)，其是单元宽度和壁厚度的函数，其中施加了图4所示的边界。在图6a中，使用双线性插值拟合了峰值加速度；在图6b中，使用多元线性回归拟合了峰值加速度。在这些图中，“数据点”分别表示来自单个模拟的数据。

图7a和7b显示了不同的客观度量，头部损伤标准(HIC)，其是单元宽度和壁厚度的函数，其中施加了图4所示的边界。在图7a中，已经使用双线性插值拟合了HIC；在图7b中，HIC已使用多元线性回归进行拟合。在这些图中，“数据点”分别表示来自单个模拟的数据。

图8a和8b显示了不同的客观度量，归一化位移(D_最大)，其是单元宽度和壁厚度的函数，其中施加了图4所示的边界。在图8a中，已使用双线性插值拟合了归一化位移；在图8b中，使用多元线性回归拟合了归一化位移。在这些图中，“数据点”分别表示来自单个模拟的数据。

图9a和9b显示了不同的客观度量，峰值应力(强度)，其是单元宽度和壁厚度的函数，其中施加了图4所示的边界。在图9a中，使用双线性插值法拟合了强度；在图9b中，强度已经使用多元线性回归拟合。在这些图中，“数据点”分别表示来自单个模拟的数据。

确定优化客观度量的特征变量值后，可根据优化设计，例如，使用聚酰胺11，制造头盔(图1，步骤8)。申请人已经发现，当选择实际完成功与蜂窝状蜂窝结构的理想功的比率作为客观度量时，所获得的最大值为0.73，比传统自行车头盔中使用的膨胀聚苯乙烯的比例(约0.35)的两倍还大。

从上面可以看出，至少本发明的优选实施例提供了用于设计(以及例如制造)减震结构的方法以及减震结构本身。以这种方式设计减震结构有助于优化结构的负荷减轻，并因此提高结构能够提供的安全性和/或性能。该设计方法还能够为例如减震结构的特定形状提供定制设计，例如，以适合用户。这可以帮助针对结构的特定表面曲率和/或特定撞击场景(例如，需要防止的最大力)选择最佳的减震结构。

申请人已经发现，与例如通常在头盔中使用的传统泡沫相比，至少使用本发明方法的优选实施例设计的结构可以在负荷减轻方面提供大约两倍的改进。

尽管头盔作为描述以上实施例的主要参考，但应当认识到的是，负荷减轻结构可以用于可能受到撞击的任何合适且期望类型的结构。例如，这包括防护罩、防弹衣和鞋(例如鞋底)。在撞击期间，负荷减轻结构旨在使(在结构上的)负荷以及例如(撞击结构的物体或结构本身，这取决于惯性参考系)减速度保持一致。在可能会遭受使用者头部的打击的诸如头盔之类的负荷减轻结构中，这有助于保护使用者的头部。例如在鞋子的负荷减轻结构中，这可以帮助提高穿着者的跑步效率。

Claims

1.设计减震结构的方法；所述方法包括：

确定在物体撞击到减震结构的外表面的过程中物体在减震结构上施加的力，该力是物体移动减震结构外表面的距离的函数；

计算物体在减震结构上施加的力相对于撞击过程中物体移动减震结构外表面的距离的积分与在撞击过程中物体在减震结构上施加的最大力和物体在撞击过程中使减震结构的外表面移动的总距离的乘积的比率；和

确定最大化所述比率的减震结构的一个或多个特征变量的对应值，以用于设计减震结构。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述减震结构包括蜂窝状结构或格子状结构。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述蜂窝状结构包括多个镶嵌单元，其中所述多个单元中的每一个均具有与相邻单元共享的多个侧壁。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述多个侧壁垂直延伸到减震结构的表面。

5.根据权利要求3或4所述的方法，其中所述单元在与所述侧壁延伸的方向基本垂直的方向上具有多边形截面。

6.根据权利要求3、4或5所述的方法，其中所述一个或多个特征变量包括以下一项或多项：侧壁的厚度、单元的特征宽度、单元的高度以及单元的形状。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述单元的特征宽度在10mm至50mm之间。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其中所述单元的侧壁的厚度在0.4mm至5mm之间。

9.根据权利要求6、7或8所述的方法，其中所述单元的高度在10mm至30mm之间。

10.根据权利要求6至9中任一项所述的方法，其中所述单元的形状具有六边形的横截面。

11.根据权利要求6至10中任一项所述的方法，其中所述单元的相对密度在0.025至0.07之间，其中所述相对密度为大约2t/w，其中t是所述单元的侧壁的厚度，并且w为是单元的特征宽度。

12.根据权利要求2所述的方法，其中所述格子状结构包括在多个顶点之间延伸的多个支柱。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述一个或多个特征变量包括以下各项中的一项或多项：所述支柱的长度、所述支柱的厚度和所述支柱的几何形状。

14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述减震结构包括弯曲的外表面和/或内表面。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述减震结构的曲率半径在60mm至140mm之间。

16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法还包括：将物体撞击在所述减震结构上，以确定在物体撞击到减震结构的外表面的过程中所述物体施加在所述减震结构上的力，该力作为所述物体移动所述减震结构外表面的距离的函数。

17.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中确定最大化所述比率的减震结构的一个或多个特征变量的对应值的步骤包括重复确定物体施加在减震结构上的力和计算一个或多个特征变量的多个不同对应值的比率的步骤。

18.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法还包括：设置一个或多个约束，并且确定在所述一个或多个约束内的最大化所述比率的减震结构的一个或多个特征变量的对应值。

19.根据权利要求18所述的方法，其中当使用所述减震结构时，所述一个或多个约束包括250g的最大允许减速度。

20.设计减震结构的方法；所述方法包括：

确定在物体撞击到减震结构外表面的过程中减震结构的加速度；

使用加速度计算减震结构减轻物体对减震结构的撞击的能力的客观度量；和

确定优化所述客观度量的减震结构的一个或多个特征变量的对应值，以用于设计减震结构。

21.存储计算机软件代码的计算机可读存储介质，当在数据处理系统上执行所述代码时，执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。

22.根据权利要求1至20中任一项所述的方法设计的减震结构。

23.一种制造减震结构的方法，所述方法包括根据权利要求1至20中任一项所述的方法设计所述减震结构，以及使用已确定的所述减震结构的一个或多个特征变量的对应值制造所述减震结构。

24.根据权利要求23所述的方法，其中所述减震结构是使用增材制造来制造的。

25.根据权利要求23或24所述的方法，所述方法还包括使用已经确定的所述减震结构的一个或多个特征变量的对应值来生成一组增材制造指令；并根据所述增材制造指令制造减震结构。

26.根据权利要求23、24或25所述的方法，其中所述减震结构由聚合物制成，和/或包括聚合物，例如聚酰胺，例如聚酰胺11，例如弹性体，例如热塑性弹性体，例如聚醚嵌段酰胺(PEBA)，例如ST PEBA 2301。

27.根据权利要求23至26中任一项所述的方法制造的减震结构。

28.根据权利要求22或27所述的减震结构，其中所述减震结构包括蜂窝状结构，所述蜂窝状结构包括多个镶嵌单元，其中所述多个单元各自具有与相邻单元共享的多个侧壁，其中所述单元的特征宽度在10mm至50mm之间，其中单元壁厚度在0.4mm至5mm之间，其中单元高度在10mm至30mm之间，其中单元壁厚度的两倍与单元宽度的比率在0.025至0.07之间，并且其中单元的形状具有六边形横截面。

29.根据权利要求22、27或28所述的减震结构，其中所述减震结构是弯曲的，并且所述减震结构的曲率半径在60mm至140mm之间。

30.一种减震结构，其用于保护使用者免受来自物体的撞击，所述减震结构包括具有多个镶嵌单元的蜂窝状结构，其中，所述多个单元具有多个侧壁；

其中多个单元的每个单元的宽度在10mm至50mm之间；

其中多个侧壁中的每个侧壁的厚度在0.4mm至5mm之间；和

其中多个单元中的每个单元的高度在10mm至30mm之间。