CN109123876A - 一种基于负泊松比元胞结构的头盔 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于负泊松比元胞结构的头盔，包括外壳、缓冲区、内衬、头盔面罩和保护后脖的头盔护具，外壳为半球形，缓冲区设置于外壳和内衬之间，缓冲区包括横向牢固连接的多个负泊松比元胞结构以及填充于多个负泊松比元胞结构之间的填充物，多个负泊松比元胞结构排列分布后与外壳组成同心球壳，负泊松比元胞结构由下底开口的外等腰梯形薄壁和下底开口的内等腰梯形薄壁组成。本发明的缓冲区可以充分抵抗来自外部的载荷压力，提高头盔的吸能效率，使冲击力变得更加平稳，大大增加了碰撞的安全性，降低了对人的伤害；在每个负泊松比元胞结构周围填充了填充物，在保证吸能结构轻量化的基础上，节约了成本和充分利用了空间。
Description
技术领域
本发明属于安全防护装备技术领域，具体涉及一种基于负泊松比元胞结构的头盔。
背景技术
随着社会发展的进步，人们的交通出行也变得逾常的方便。汽车逐渐在人们的代步工具里占据主导地位，但是在一些中小城市仍然有很多人在使用着电动车、摩托车及自行车，这时候，在与汽车发生交通安全事故中头盔对于电动车驾驶员及乘员头部保护就显得尤为的重要。
目前市场上的头盔多半呈半圆形，主要由外壳、衬里和缓冲区三部分组成，其中缓冲区加了少许的金属泡沫，安全系数不是非常的高，虽能局部地阻挡一些较尖锐物体的刺穿，但是却不能承受覆盖性的来自外载荷的能量。当遇到车祸等突发情况，如果头部受到严重的撞击，造成的后果非常严重。
泊松比是指材料在单向受拉或受压时，横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值，也叫横向变形系数，它是反映材料横向变形的弹性常数。负泊松比(Negative PoissonsRatio)效应，是指受拉伸时，材料在弹性范围内横向发生膨胀，而受压缩时，材料在弹性范围内横向发生收缩的现象。负泊松比材料相比传统的正泊松比材料(自然界里常见的)而言，由于具有不同于普通材料的独特性质，在很多方面具备了其他材料所不能比拟的优势，尤其是材料的物理机械性能有了很大的提高，如提高了材料的剪切模量、材料的抗缺口性能、抗断裂性能以及材料的回弹韧性。
负泊松比材料在我们生活中的应用也变得越来越广泛，由于材料的泊松比影响到应力波的传输和反射、应力的消除和在裂纹附近的应力分布，所以负泊松比材料可以应用于制造紧固件或安全带等安全防护装备。在受到外界压缩应力作用时负泊松比材料垂直于受力方向的横向发生收缩，受力方向发生膨胀，膨胀可以抵消外界应力的作用，从而提高这些装备的抗负荷能力。
发明内容
本发明的头盔主要是从能量吸收、合理结构设计、轻便、节约成本等角度考虑，采用了一种负泊松比元胞结构，当受到外力载荷时，能吸收一部分能量，经过此结构对能量的削弱，最后作用到佩戴者头部的能量就会大大的降低。本发明一方面可以提高头盔的耐撞性和减少峰值力，使其遭受外部载荷之后内部结构可以保持稳定，不会太大变形，从而缓解头盔的破损度及对驾驶者头部造成的损伤，另一方面使头盔轻量化，解决了传统头盔重量太重等问题。
本发明提供一种基于负泊松比元胞结构的头盔，包括外壳，缓冲区以及内衬，所述外壳为半球形，所述缓冲区设置于所述外壳和内衬之间，所述缓冲区设置有2层以上多个牢固连接的负泊松比元胞结构，所述多个负泊松比元胞结构排列后与所述外壳组成同心层。
进一步地，所述负泊松比元胞结构由下底开口的外等腰梯形薄壁和下底开口的内等腰梯形薄壁组成，所述外等腰梯形薄壁和内等腰梯形薄壁的下底两端固定连接，所述内等腰梯形薄壁的高度小于所述外等腰梯形薄壁的高度，所述外等腰梯形薄壁和内等腰梯形薄壁的上底都朝向所述外壳。
进一步地，所述外等腰梯形薄壁的厚度大于内等腰梯形薄壁的厚度，所述外等腰梯形薄壁和内等腰梯形薄壁的上底相等。
进一步地，所述多个负泊松比元胞结构的大小相同。
进一步地，所述多个负泊松比元胞结构的大小从外层结构到内层结构呈梯度变小，所述多个负泊松比元胞结构的外等腰梯形薄壁和内等腰梯形薄壁的厚度从外层结构到内层结构呈梯度变薄。
进一步地，所述外壳为一层钛合金。
进一步地，所述多个负泊松比元胞结构之间和单个所述负泊松比元胞结构内部的空隙填充有填充物，所述填充物为蜂窝结构的金属泡沫。
进一步地，所述负泊松比元胞结构的材质为金属、橡胶、竹木和纤维的一种或几种。
进一步地，还包括头盔面罩和保护后脖的头盔护具，所述头盔面罩的材质为PC树脂，所述头盔面罩的镜片外面涂有硬化膜和防紫外线膜，所述头盔护具的材质为法藤，所述法藤注入有水溶钛。
进一步地，所述内衬为六角网眼结构，所述内衬活动连接于所述头盔内部。
本发明的有益效果：
本发明的缓冲区设置有负泊松比元胞结构，可以充分抵抗来自外部的载荷压力，提高头盔的吸能效率，使冲击力变得更加平稳，大大增加了碰撞时的安全性，降低了对人的伤害。
本发明的负泊松比元胞结构在受到外部载荷压力时，外等腰梯形薄壁上底外侧顶住内等腰梯形薄壁上底内侧，内等腰梯形薄壁向内拉扯外等腰梯形薄壁，使负泊松比元胞结构在垂直于压力方向横向收缩变窄，使得纵向厚度会大大的增加。在碰撞变形过程中，纵向厚度的增加会抵消和缓冲外部载荷压力，压力的变化将会变得非常平缓，大大增加了碰撞时的安全性，减少对佩戴者的伤害。
本发明的外等腰梯形薄壁的的厚度大于内等腰梯形薄壁的厚度，这种梯度结构设计可以使外等腰梯形薄壁同比具有较高的强度和刚性，内等腰梯形薄壁同比具有较高的塑性和韧性，该负泊松比元胞结构对能量的吸收能力提高，显著提高抗外部载荷冲击能力；外等腰梯形薄壁和内等腰梯形薄壁的上底相等，当头盔受到外部载荷碰撞冲击时，外等腰梯形薄壁和内等腰梯形薄壁横向收缩变窄的时候是同步的，使结构受力均匀，从而可以保持负泊松比元胞结构在受到较大的压力时降低剪切变形受损的可能性。
本发明的多个负泊松比元胞结构的大小从外层结构到内层结构呈梯度变小，所述多个负泊松比元胞结构的外等腰梯形薄壁和内等腰梯形薄壁的厚度从外层结构到内层结构呈梯度变薄。一般对于球形结构来说，***密度相对比内层密度低，而本发明的负泊松比元胞结构的密度由外层结构到内层结构按一定比例降低，产生连续性的梯度效果。当头盔受到外界载荷时，外层结构的密度高，能够吸收更多的能量，传递到内层结构时碰撞力就会显著减小，头部受撞击程度就会大大降低。
本发明的外壳采用了一层薄薄的钛合金，钛合金的强度高，抗蚀性好，低温性能好，可以很好的抵御外部尖锐物体的刺穿；同时钛合金的质量相对较轻，不会增加头盔过多的负重，方便携带。
本发明在每个负泊松比元胞结构周围填充了填充物，在保证吸能结构轻量化的基础上，节约了成本和充分利用了空间，也可以阻碍负泊松比元胞结构在受到碰撞冲击时受到严重的剪切变形受损，一定程度上提高负泊松比元胞结构的稳定性。
本发明的PC树脂是一种性能优良的热塑性工程塑料，具有突出的抗冲击能力，耐蠕变和尺寸稳定性好，耐热、吸水率低、无毒。头盔面罩外面涂上硬化膜、防UV膜，有很好的透光和防护的效果。内衬采用六角网眼结构的织物，它具有良好的透气性，提高了头盔佩戴的舒适度。
本发明的头盔内部由于采用了多种缓冲吸能结构，所以它的变形模式会更加稳定，冲击力大大的减小，与此同时，所用的材料质量轻，价格合理，头盔的生产成本不高，适用于广泛推广使用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例基于负泊松比元胞结构的头盔的外观示意图；
图2是本发明实施例基于负泊松比元胞结构的头盔的剖视图；
图3是本发明中单个负泊松比元胞结构示意图；
图4是本发明中两个负泊松比元胞结构组成的三维结构；
图5是本发明中负泊松比元胞结构在碰撞前、碰撞中、碰撞后三种情况下的变形特征；
图6为2层负泊松比元胞结构排列示意图；
图7为每层23个负泊松比元胞结构的示意图，
图8为每层46个负泊松比元胞结构的示意图。
图9为3层负泊松比梯度元胞结构结构排列示意图和局部放大图。
其中1、外壳，2、缓冲区，3、内衬，4、头盔面罩，5、头盔护具，21、负泊松比元胞结构，22、填充物，211、外等腰梯形薄壁，212、内等腰梯形薄壁。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和有益技术效果更加清晰，以下结合附图和实施方式，对本发明进行进一步详细说明，附图中的示意图仅表示技术方案示意，附图中的尺寸并不表示实际的尺寸及比例。应当理解的是，本说明书中描述的实施例仅仅是为了解释本发明，并非为了限制本发明。
如图1～图2，本发明提供一种基于负泊松比元胞结构的头盔，包括外壳1、缓冲区2、内衬3、头盔面罩4和保护后脖的头盔护具5，所述外壳1为半球形，所述缓冲区2设置于所述外壳1和内衬3之间，所述缓冲区2包括横向牢固连接的多个负泊松比元胞结构21以及填充于所述多个负泊松比元胞结构21之间的填充物22，所述多个负泊松比元胞结构21排列分布后与所述外壳1组成同心球壳，所述多个负泊松比元胞结构21排列的层数为2层以上，图6为2层负泊松比元胞结构排列示意图。缓冲区2可以充分抵抗来自外部的载荷压力，提高头盔的吸能效率，使冲击力变得更加平稳，大大增加了碰撞的安全性，降低了对人的伤害；在每个负泊松比元胞结构21周围填充了填充物22，在保证吸能结构轻量化的基础上，节约了成本和充分利用了空间。
作为优选实施例，如图3，所述负泊松比元胞结构21由下底开口的外等腰梯形薄壁211和下底开口的内等腰梯形薄壁212组成，所述外等腰梯形薄壁211和内等腰梯形薄壁212的下底两端固定连接，所述内等腰梯形薄壁212的高度小于所述外等腰梯形薄壁211的高度，所述外等腰梯形薄壁211和内等腰梯形薄壁212的上底都朝向所述外壳，所述外等腰梯形薄壁211和内等腰梯形薄壁212的上底相等，所述外等腰梯形薄壁211的的厚度大于内等腰梯形薄壁212的厚度。如图4，两个所述负泊松比元胞结构21可以十字交叉牢固连接在一起，形成三维负泊松比元胞结构，所述三维负泊松比元胞结构俯视图呈十字形状。如图5，负泊松比元胞结构21在受到外部载荷压力时，外等腰梯形薄壁211上底外侧顶住内等腰梯形薄壁212上底内侧，内等腰梯形薄壁212向内拉扯外等腰梯形薄壁211，使负泊松比元胞结构21在垂直于压力方向横向收缩变窄，使得纵向厚度会大大的增加。在碰撞变形过程中，碰撞力的变化将会变得非常平缓，大大增加了碰撞的安全性，降低了对人的伤害。外等腰梯形薄壁211和内等腰梯形薄壁212的上底相等，外等腰梯形薄壁211的的厚度大于内等腰梯形薄壁212的厚度，外等腰梯形薄壁211的的硬度大于内等腰梯形薄壁212的硬度。当头盔受到外载荷碰撞冲击时，外等腰梯形薄壁211和内等腰梯形薄壁212横向收缩变窄的时候是同步的，可以吸收更多的能量。
作为优选实施例，所述外壳1为一层钛合金，所述填充物22为金属泡沫，所述负泊松比元胞结构21的材质为金属、橡胶、竹木和纤维的一种或几种，所述头盔护具5的材质为法藤，所述法藤注入有水溶钛。所述内衬3为六角网眼结构的涤纶，所述内衬3活动连接于所述头盔内部。所述头盔面罩4的材质为PC树脂，所述头盔面罩4的镜片外面涂有硬化膜和防紫外线膜。外壳1采用了一层薄薄的钛合金，钛合金的强度高，抗蚀性好，低温性能好，可以很好的抵御外部尖锐物体的刺穿；同时钛合金的质量相对较轻，不会增加头盔过多的负重，方便携带。采用的PC树脂是一种性能优良的热塑性工程塑料，具有突出的抗冲击能力，耐蠕变和尺寸稳定性好，耐热、吸水率低、无毒。头盔面罩外面涂上硬化膜、防UV膜，有很好的透光和防护的效果。内衬3采用六角网眼结构的织物，它具有良好的透气性，提高了头盔佩戴的舒适度。
作为优选实施例，所述负泊松比元胞结构21每层数量根据缓冲区2的空间大小设置为23个以上，图7为每层23个负泊松比元胞结构的示意图，图8为每层46个负泊松比元胞结构的示意图。数量越多，同等缓冲区2的空间条件下，等腰梯形横向宽度越小，外等腰梯形薄壁211和内等腰梯形薄壁212的长度差异越大，负泊松比元胞结构的密度越大，缓冲减震的效果将会更好。
作为优选实施例，如图9，具有三层负泊松比元胞结构21从外层延伸到内层，每一层结构的上底相连并且结构的大小密度逐渐按一定比例变小，从而产生连续性的梯度效果。从***到内层密度不断降低，这样使得外部载荷压力经过***两层的能量削弱，作用到第三层的载荷力就大大减小，头部受撞击的程度就会大大降低。
以上描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (10)
1.一种基于负泊松比元胞结构的头盔，其特征在于，包括外壳，缓冲区以及内衬，所述外壳为半球形，所述缓冲区设置于所述外壳和内衬之间，所述缓冲区设置有2层以上多个牢固连接的负泊松比元胞结构，所述多个负泊松比元胞结构排列后与所述外壳组成同心层。
2.根据权利要求书1所述基于负泊松比元胞结构的头盔，其特征在于，所述负泊松比元胞结构由下底开口的外等腰梯形薄壁和下底开口的内等腰梯形薄壁组成，所述外等腰梯形薄壁和内等腰梯形薄壁的下底两端固定连接，所述内等腰梯形薄壁的高度小于所述外等腰梯形薄壁的高度，所述外等腰梯形薄壁和内等腰梯形薄壁的上底都朝向所述外壳。
3.根据权利要求书2所述基于负泊松比元胞结构的头盔，其特征在于，所述外等腰梯形薄壁的厚度大于内等腰梯形薄壁的厚度，所述外等腰梯形薄壁和内等腰梯形薄壁的上底相等。
4.根据权利要求书3所述基于负泊松比元胞结构的头盔，其特征在于，所述多个负泊松比元胞结构的大小相同。
5.根据权利要求书3所述基于负泊松比元胞结构的头盔，其特征在于，所述多个负泊松比元胞结构的大小从外层结构到内层结构呈梯度变小，所述多个负泊松比元胞结构的外等腰梯形薄壁和内等腰梯形薄壁的厚度从外层结构到内层结构呈梯度变薄。
6.根据权利要求书1所述基于负泊松比元胞结构的头盔，其特征在于，所述外壳为一层钛合金。
7.根据权利要求书1所述基于负泊松比元胞结构的头盔，其特征在于，所述多个负泊松比元胞结构之间和单个所述负泊松比元胞结构内部的空隙填充有填充物，所述填充物为蜂窝结构的金属泡沫。
8.根据权利要求书1所述基于负泊松比元胞结构的头盔，其特征在于，所述负泊松比元胞结构的材质为金属、橡胶、竹木和纤维的一种或几种。
9.根据权利要求书1所述基于负泊松比元胞结构的头盔，其特征在于，还包括头盔面罩和保护后脖的头盔护具，所述头盔面罩的材质为PC树脂，所述头盔面罩的镜片外面涂有硬化膜和防紫外线膜，所述头盔护具的材质为法藤，所述法藤注入有水溶钛。
10.根据权利要求书1所述基于负泊松比元胞结构的头盔，其特征在于，所述内衬为六角网眼结构，所述内衬活动连接于所述头盔内部。
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