ES2904548T3 - Explosion/impact frequency adjustment and mitigation - Google Patents

Abstract

Un sistema de ajuste y mitigación para mitigar un evento de explosión o impacto, comprendiendo dicho sistema de ajuste y mitigación: un conjunto de capa de ajuste (12) que comprende una capa elástica y que tiene una primera impedancia acústica; y un conjunto de capa disipadora (14) que comprende una capa disipadora fabricada con un material viscoelástico que tiene una frecuencia crítica de amortiguación y que tiene una segunda impedancia acústica inferior a la primera impedancia acústica, siendo dicha capa disipadora (14) próxima a dicha capa elástica, en el que la capa elástica y la capa disipadora están configuradas colectivamente para ajustar las ondas de tensión resultantes de la explosión o el impacto a una o más frecuencias ajustadas específicas que coinciden con la frecuencia de amortiguación crítica de la capa disipadora, la capa disipadora ajustando con la capa elástica y vibrando con la capa elástica como un sistema masa-resorte.An adjustment and mitigation system for mitigating an explosion or impact event, said adjustment and mitigation system comprising: an adjustment layer assembly (12) comprising an elastic layer and having a first acoustic impedance; and a dissipative layer assembly (14) comprising a dissipative layer made of a viscoelastic material having a critical damping frequency and having a second acoustic impedance lower than the first acoustic impedance, said dissipative layer (14) being close to said elastic layer, wherein the elastic layer and the dissipative layer are collectively configured to tune the stress waves resulting from the blast or impact to one or more specific tuned frequencies that coincide with the critical damping frequency of the dissipative layer, the dissipating layer adjusting with the elastic layer and vibrating with the elastic layer as a mass-spring system.

Description

DESCRIPCIÓNDESCRIPTION

Ajuste y mitigación de frecuencia de explosiones/impactosExplosion/impact frequency adjustment and mitigation

CAMPOCOUNTRYSIDE

La presente divulgación se refiere a un concepto novedoso para el diseño de estructuras de protección contra explosiones e impactos.The present disclosure relates to a novel concept for the design of blast and impact protection structures.

El documento US 2013/0000476 A1 desvela un dispositivo que incluye un primer material configurado para reflejar una parte sustancial de una energía de onda expansiva de aire incidente especificada. El primer material incluye una primera región reflectante que tiene una primera impedancia acústica sustancialmente desajustada a la impedancia acústica del aire. El primer material incluye una segunda región reflectante que tiene una segunda impedancia acústica sustancialmente menor que la primera impedancia acústica. El dispositivo incluye un segundo material configurado para atenuar la energía de la onda expansiva de aire incidente especificada utilizando una respuesta inelástica. El segundo material está configurado para ser usado cerca del cuerpo humano.US 2013/0000476 A1 discloses a device including a first material configured to reflect a substantial portion of a specified incident air blast energy. The first material includes a first reflective region having a first acoustic impedance substantially mismatched to the acoustic impedance of air. The first material includes a second reflective region having a second acoustic impedance substantially less than the first acoustic impedance. The device includes a second material configured to attenuate the specified incident air blast energy using an inelastic response. The second material is configured to be worn close to the human body.

El documento US 2014/0026279 A1 desvela un elemento en forma de espiral y materiales ondulados incrustados para uso en un material de mitigación de impactos para disipar la energía asociada al impacto de un objeto. El material de mitigación de impactos puede utilizarse en cascos, parachoques, chalecos antibalas, blindajes militares y otras aplicaciones.US 2014/0026279 A1 discloses a spiral-shaped element and embedded corrugated materials for use in an impact mitigation material to dissipate energy associated with an object impact. The impact mitigation material can be used in helmets, bumpers, body armor, military armor and other applications.

El documento EP 0930832 B1 desvela otro material de mitigación de choques.EP 0930832 B1 discloses another crash mitigation material.

ANTECEDENTES Y SUMARIOBACKGROUND AND SUMMARY

Esta sección proporciona información de antecedentes relacionada con la presente divulgación que no es necesariamente del estado de la técnica. Esta sección proporciona un sumario general de la divulgación, y no es una divulgación exhaustiva de todo su alcance o de todas sus características.This section provides background information related to this disclosure that is not necessarily prior art. This section provides a general summary of the disclosure, and is not an exhaustive disclosure of its full scope or all of its features.

Se presenta una estrategia de diseño para un material de composite, y una realización ejemplar de ese diseño, que disipa de forma óptima y repetida la energía transmitida a través de un material de composite como resultado de un evento de impacto. La estrategia de diseño, de acuerdo con los principios de las presentes enseñanzas, utiliza una o más capas elásticas para modular el contenido de frecuencia de la onda de tensión que viaja a través del material de composite, y una capa viscoelástica para disipar la energía en esa frecuencia. Los resultados experimentales y computacionales actuales internos demuestran que este diseño mitiga eficazmente la presión y disipa la energía transmitida a través del material de composite.A design strategy for a composite material is presented, and an exemplary embodiment of that design, that optimally and repeatedly dissipates the energy transmitted through a composite material as a result of an impact event. The design approach, consistent with the principles of the present teachings, uses one or more elastic layers to modulate the frequency content of the stress wave traveling through the composite material, and a viscoelastic layer to dissipate the energy in the composite material. that frequency. Current internal experimental and computational results demonstrate that this design effectively mitigates pressure and dissipates energy transmitted through the composite material.

En algunas realizaciones de las presentes enseñanzas, se proporciona una estructura de composite que consiste en componentes elásticos y viscoelásticos livianos seleccionados y configurados para reducir óptimamente el impulso, mientras que simultáneamente se mitiga la fuerza (presión) transmitida a través del material de composite de una carga de impacto, y se denomina generalmente diseño MITIGATIUM™. La innovación del enfoque que condujo al desarrollo de esta matriz de diseño MITIGATIUM™ es que reconoce que un material altamente disipador por sí solo generalmente no va a ser útil en cargas de impacto. Por el contrario, la disipación óptima y repetida sólo puede obtenerse mediante un material de composite de capas en el que el componente disipador se adapte a los demás componentes en función de las relaciones específicas entre sus respectivas propiedades mecánicas.In some embodiments of the present teachings, a composite structure is provided consisting of lightweight elastic and viscoelastic components selected and configured to optimally reduce momentum, while simultaneously mitigating the force (pressure) transmitted through the composite material from one impact loading, and is generally referred to as the MITIGATIUM™ design. The innovation of the approach that led to the development of this MITIGATIUM™ Design Matrix is that it recognizes that a highly dissipative material alone is generally not going to be useful in impact loading. On the contrary, optimal and repeated dissipation can only be obtained by means of a layered composite material in which the dissipative component adapts to the other components depending on the specific relationships between their respective mechanical properties.

De acuerdo con los principios de las presentes enseñanzas, las propiedades de los componentes elásticos y viscoelásticos, y su colocación dentro del sistema de capas, se seleccionan de forma óptima para lograr tres resultados: 1) atenuar la presión transmitida a través del material de composite; 2) modular el contenido de frecuencia de las ondas de tensión dentro de las capas del material de composite para que 3) la energía impartida por el impulso se disipe eficazmente al transmitirse a través del material de composite. La naturaleza sinérgica de MITIGATIUM™ surge porque acopla el componente disipador a otros componentes seleccionados específicamente para ajustar la onda de tensión que viaja a través de los materiales elásticos a una frecuencia en la que puede ser disipada más eficientemente por la respuesta viscosa de la capa disipadora. Por lo tanto, la innovación tiene poco que ver con los materiales específicos seleccionados para esta demostración de MITIGATIUM™, sino que reside en el concepto de ajuste y en el procedimiento de selección de la combinación específica de propiedades de los materiales que se requiere para una aplicación determinada. En teoría, no hay límite al número de combinaciones de materiales elásticos y viscoelásticos que pueden satisfacer la matriz de diseño MITIGATIUM™. Sin embargo, el diseño debe adaptarse a diferentes aplicaciones.In accordance with the principles of the present teachings, the properties of the elastic and viscoelastic components, and their placement within the layering system, are optimally selected to achieve three results: 1) attenuate the pressure transmitted through the composite material ; 2) modulate the frequency content of the stress waves within the layers of the composite material so that 3) the energy imparted by the impulse is effectively dissipated as it is transmitted through the composite material. The synergistic nature of MITIGATIUM™ arises because it couples the dissipative component to other components specifically selected to tune the stress wave traveling through elastic materials to a frequency where it can be more efficiently dissipated by the viscous response of the dissipative layer. . Therefore, the innovation has little to do with the specific materials selected for this MITIGATIUM™ demonstration, but instead resides in the tuning concept and procedure for selecting the specific combination of material properties that is required for a certain application. In theory, there is no limit to the number of combinations of elastic and viscoelastic materials that can satisfy the MITIGATIUM™ Design Matrix. However, the design must be adapted to different applications.

La invención se define en las reivindicaciones adjuntas.The invention is defined in the appended claims.

Otras áreas de aplicabilidad se harán evidentes a partir de la descripción proporcionada en la presente memoria. La descripción y los ejemplos específicos de este sumario están pensados únicamente con fines ilustrativos y no pretenden limitar el alcance de la presente divulgación. Other areas of applicability will become apparent from the description provided herein. The description and specific examples in this summary are intended for illustrative purposes only and are not intended to limit the scope of this disclosure.

DIBUJOSDRAWINGS

Los dibujos descritos en la presente memoria son sólo para fines ilustrativos de las realizaciones seleccionadas y no de todas las posibles implementaciones, y no pretenden limitar el alcance de la presente divulgación.The drawings described herein are for illustrative purposes only of selected embodiments and not of all possible implementations, and are not intended to limit the scope of the present disclosure.

La FIG. 1 ilustra un sistema de ajuste y mitigación multicapa de acuerdo con los principios de las presentes enseñanzas que tiene un conjunto de capa de ajuste de una sola capa y una configuración de conjunto de capa disipadora de una sola capa;FIG. 1 illustrates a multilayer adjustment and mitigation system in accordance with the principles of the present teachings having a single layer adjustment layer assembly and a single layer dissipative layer assembly configuration;

La FIG. 2 es un gráfico que ilustra los resultados de disipación de energía cinética (KE) del sistema de ajuste y mitigación multicapa de la FIG. 1 para diversos materiales viscoelásticos;FIG. 2 is a graph illustrating the kinetic energy (KE) dissipation results of the multilayer adjustment and mitigation system of FIG. 1 for various viscoelastic materials;

La FIG. 3 ilustra un sistema de ajuste y mitigación multicapa de acuerdo con los principios de las presentes enseñanzas que tiene un conjunto de capa de ajuste de una sola capa y una configuración de conjunto de capa disipadora multicapa;FIG. 3 illustrates a multilayer adjustment and mitigation system in accordance with the principles of the present teachings having a single layer adjustment layer assembly and a multilayer dissipative layer assembly configuration;

La FIG. 4 es un gráfico que ilustra los resultados de disipación de energía cinética (KE) del sistema de ajuste y mitigación multicapa de la FIG. 3 para diversos materiales viscoelásticos;FIG. 4 is a graph illustrating the kinetic energy (KE) dissipation results of the multi-layer adjustment and mitigation system of FIG. 3 for various viscoelastic materials;

La FIG. 5 ilustra la geometría del modelo para las simulaciones de impacto del penetrador;FIG. 5 illustrates the model geometry for the indenter impact simulations;

La FIG. 6A ilustra la geometría del modelo de un diseño de casco convencional;FIG. 6A illustrates the pattern geometry of a conventional hull design;

La FIG. 6B ilustra la geometría del modelo de un diseño de casco MITIGATIUM™ de acuerdo con las presentes enseñanzas;FIG. 6B illustrates the model geometry of a MITIGATIUM™ hull design in accordance with the present teachings;

La FIG. 6C es un gráfico que ilustra el historial de presión vs, tiempo de la carga de impacto oblicuo;FIG. 6C is a graph illustrating the pressure vs. time history of oblique impact loading;

Las FIGS. 7A-7C son gráficos que ilustran los historiales de presión máxima, aceleración traslacional y aceleración rotacional dentro del cerebro en los diseños de cascos convencionales y MITIGATIUM™. FIGS. 7A-7C are graphs illustrating peak pressure, translational acceleration, and rotational acceleration histories within the brain in conventional and MITIGATIUM™ helmet designs.

Los números de referencia correspondientes indican las partes correspondientes en las diversas vistas de los dibujos.Corresponding reference numerals indicate corresponding parts throughout the several views of the drawings.

DESCRIPCIÓN DETALLADADETAILED DESCRIPTION

Las realizaciones de ejemplo se describirán ahora de forma más completa con referencia a los dibujos adjuntos. Example embodiments will now be more fully described with reference to the accompanying drawings.

Las realizaciones de ejemplo se proporcionan para que esta divulgación sea completa y transmita plenamente el alcance a los expertos en la técnica. Se exponen numerosos detalles específicos, tal como ejemplos de componentes, dispositivos y procedimientos específicos, para proporcionar una comprensión completa de las realizaciones de la presente divulgación. Será evidente para los expertos en la técnica que no es necesario emplear detalles específicos, que las realizaciones de ejemplo pueden ser realizadas en muchas formas diferentes y que ninguna de ellas debe ser interpretada como limitando el alcance de la divulgación. En algunas realizaciones de ejemplo, no se describen en detalle los procedimientos conocidos, las estructuras de dispositivos conocidas y las tecnologías conocidas.The exemplary embodiments are provided so that this disclosure is complete and fully conveys the scope to those skilled in the art. Numerous specific details, such as examples of specific components, devices, and procedures, are set forth to provide a complete understanding of the embodiments of the present disclosure. It will be apparent to those skilled in the art that specific details need not be employed, that the exemplary embodiments may be embodied in many different ways, and that none of these should be construed as limiting the scope of the disclosure. In some exemplary embodiments, known methods, known device structures, and known technologies are not described in detail.

La terminología empleada en la presente memoria tiene por objeto describir únicamente realizaciones de ejemplo particulares y no pretende ser limitativa. Tal y como se utilizan en la presente memoria, las formas singulares "un", "una" y "el/la" pueden incluir también las formas plurales, a menos que el contexto indique claramente lo contrario. Los términos "que comprende", "comprendiendo", "incluyendo" y "teniendo" son inclusivos y, por lo tanto, especifican la presencia de características, números enteros, etapas, operaciones, elementos y/o componentes declarados, pero no excluyen la presencia o adición de una o más características, números enteros, etapas, operaciones, elementos, componentes y/o sus grupos. Los pasos del procedimiento, los procedimientos y las operaciones descritas en la presente memoria no deben interpretarse como que requieren necesariamente su realización en el orden particular discutido o ilustrado, a menos que se identifique específicamente como un orden de realización. También debe comprenderse que pueden emplearse etapas adicionales o alternativas.The terminology used herein is for the purpose of describing particular example embodiments only and is not intended to be limiting. As used herein, the singular forms "a", "an", and "the" may also include the plural forms, unless the context clearly indicates otherwise. The terms "comprising", "comprising", "including" and "having" are inclusive and therefore specify the presence of declared features, integers, steps, operations, elements and/or components, but do not exclude the presence of declared features, integers, steps, operations, elements and/or components. presence or addition of one or more characteristics, integers, steps, operations, elements, components and/or their groups. The process steps, procedures, and operations described herein should not be construed as necessarily requiring their performance in the particular order discussed or illustrated, unless specifically identified as an order of performance. It should also be understood that additional or alternative steps may be employed.

Cuando se hace referencia a un elemento o capa como estando "sobre", "engranado a", "conectado a" o "acoplado a" otro elemento o capa, puede estar directamente sobre, engranado, conectado o acoplado al otro elemento o capa, o puede haber elementos o capas intermedias. Por el contrario, cuando se dice que un elemento está "directamente sobre", "directamente engranado a", "directamente conectado a" o "directamente acoplado a" otro elemento o capa, puede no haber elementos o capas intermedias. Otras palabras utilizadas para describir la relación entre elementos deben interpretarse de forma similar (por ejemplo, "entre" versus "directamente entre", "adyacente" versus "directamente adyacente", etc.). Tal y como se utiliza en la presente memoria, el término "y/o" incluye todas las combinaciones de uno o más de los elementos enumerados asociados.When an element or layer is referred to as being "on", "engaged to", "connected to" or "docked to" another element or layer, it may be directly on, engaged, connected or docked to the other element or layer, or there may be intermediate elements or layers. In contrast, when an element is said to be "directly on", "directly engaged to", "directly connected to" or "directly coupled to" another element or layer, there may be no intervening elements or layers. Other words used to describe the relationship between elements should be interpreted similarly (eg, "between" versus "directly between", "adjacent" versus "directly adjacent", etc.). As used herein, the term "and/or" includes all combinations of one or more of the associated enumerated elements.

Aunque los términos primero, segundo, tercero, etc. pueden utilizarse en la presente memoria para describir varios elementos, componentes, regiones, capas y/o secciones, estos elementos, componentes, regiones, capas y/o secciones no deben limitarse por estos términos. Estos términos sólo pueden utilizarse para distinguir un elemento, componente, región, capa o sección de otra región, capa o sección. Los términos tales como "primero", "segundo" y otros términos numéricos utilizados en la presente memoria no implican una secuencia u orden, a menos que el contexto lo indique claramente. Por lo tanto, un primer elemento, componente, región, capa o sección que se discute a continuación puede denominarse segundo elemento, componente, región, capa o sección sin apartarse de las enseñanzas de las realizaciones de ejemplo.Although the terms first, second, third, etc. may be used herein to describe various elements, components, regions, layers and/or sections, these elements, components, regions, layers and/or sections should not be limited by these terms. These terms may only be used to distinguish one element, component, region, layer, or section from another region, layer, or section. Terms such as "first", "second" and other numerical terms used herein do not imply sequence or order, unless the context clearly indicates. Therefore, a first element, component, region, layer, or section discussed below may be referred to as a second element, component, region, layer, or section without departing from the teachings of the example embodiments.

Los términos relativos al espacio, tal como "interior", "exterior", "debajo", "inferior", "arriba", "superior", y similares, pueden utilizarse en la presente memoria para facilitar la descripción de la relación de un elemento o característica con otros elementos o características como se ilustra en las figuras. Los términos relativos al espacio pueden abarcar diferentes orientaciones del dispositivo en uso o funcionamiento, además de la orientación representada en las figuras. Por ejemplo, si el dispositivo de las figuras se invierte, los elementos descritos como "inferior" o "debajo" de otros elementos o características se orientarían entonces "arriba" de los otros elementos o características. Por lo tanto, el término de ejemplo "abajo" puede abarcar tanto una orientación de arriba como de abajo. El dispositivo puede estar orientado de otra manera (girado 90 grados o en otras orientaciones) y los descriptores espacialmente relativos utilizados en la presente memoria se interpretan en consecuencia.Terms relating to space, such as "interior", "exterior", "under", "inferior", "above", "upper", and the like, may be used herein to facilitate description of the relationship of a element or feature with other elements or features as illustrated in the figures. Spatial terms may encompass different orientations of the device in use or operation, in addition to the orientation depicted in the figures. For example, if the device in the figures is reversed, elements described as "below" or "below" other elements or features would then be oriented "above" the other elements or features. Thus, the exemplary term "down" can encompass both an up and down orientation. The device may be oriented differently (rotated 90 degrees or in other orientations) and the spatially relative descriptors used herein are interpreted accordingly.

INTRODUCCIÓNINTRODUCTION

En principio, se prevé que la presente invención encontrará utilidad en una amplia gama de aplicaciones, incluyendo, pero sin limitación, el blindaje de vehículos, el blindaje personal, la protección contra explosiones, la protección contra impactos, los chalecos, los cascos, las protecciones corporales (incluyendo la protección del pecho, la protección de las espinillas, la protección de las caderas, la protección de las costillas, la protección de los codos, la protección de las rodillas, el calzado para correr), la protección del campo de tiro, la protección de edificios, el empaque de aparatos y dispositivos, y similares. Debe apreciarse que las presentes enseñanzas son aplicables a cualquier situación de explosión y/o impacto.In principle, it is anticipated that the present invention will find utility in a wide range of applications, including, but not limited to, vehicle armoring, personal armoring, blast protection, impact protection, vests, helmets, body protections (including chest protection, shin protection, hip protection, rib protection, elbow protection, knee protection, running shoes), field protection shooting, the protection of buildings, the packaging of apparatus and devices, and the like. It should be appreciated that the present teachings are applicable to any explosion and/or impact situation.

De acuerdo con los principios de las presentes enseñanzas, como se ilustra en las figuras, se proporciona un sistema de ajuste y mitigación multicapa 10 para la mitigación de explosiones y/o impactos. El sistema multicapa de ajuste y mitigación 10 comprende un conjunto de capa de ajuste 12 y un conjunto de capa disipadora 14. El conjunto de capa de ajuste 12 puede comprender una o más capas elásticas individuales que tienen una impedancia acústica. De manera similar, el conjunto de capa disipadora 14 puede comprender una o más capas viscoelásticas individuales. Como resultado de un impacto, se produce una onda de tensión cuyas frecuencias que entran en el conjunto de capa disipadora 14 están determinadas por las propiedades mecánicas y físicas (por ejemplo, la impedancia acústica) del conjunto de la capa de ajuste 12 y la geometría y la naturaleza del propio evento de impacto.In accordance with the principles of the present teachings, as illustrated in the figures, a multilayer mitigation and adjustment system 10 for blast and/or impact mitigation is provided. The multi-layer fit and mitigation system 10 comprises a fit layer assembly 12 and a dissipative layer assembly 14. The fit layer assembly 12 may comprise one or more individual elastic layers having an acoustic impedance. Similarly, the dissipative layer assembly 14 may comprise one or more individual viscoelastic layers. As a result of an impact, a stress wave is produced whose frequencies entering the dissipative layer assembly 14 are determined by the mechanical and physical properties (for example, acoustic impedance) of the adjustment layer assembly 12 and the geometry and the nature of the impact event itself.

El conjunto de capa disipadora 14 se selecciona de modo que sea complementario al conjunto de la capa de ajuste 12 para ajustar las frecuencias de las ondas de tensión en un intervalo que es amortiguado por el conjunto de capa disipadora 14. Las frecuencias de amortiguación requeridas para el conjunto de capa disipadora 14 son específicas de la aplicación; es decir, dependen del propio evento de impacto, así como de la forma y el tamaño de la propia estructura de mitigación de impactos.The damping layer assembly 14 is selected to be complementary to the tuning layer assembly 12 to adjust the frequencies of the stress waves over a range that is damped by the damping layer assembly 14. The damping frequencies required to dissipative layer assembly 14 are application specific; that is, they depend on the impact event itself, as well as the shape and size of the impact mitigation structure itself.

Con especial referencia a las FIGS. 1 y 2, en algunas realizaciones, el sistema de ajuste y mitigación multicapa 10 puede comprender un conjunto de capa de ajuste de una sola capa 12 y un conjunto de capa disipadora de una sola capa 14. De este modo, el conjunto de capa de ajuste de una capa 12 es un material elástico que es suficiente para trabajar con el conjunto de capa disipadora de una capa 14 para ajustar las frecuencias de las ondas de tensión del impacto. El conjunto de capa disipadora 14 es un material viscoelástico seleccionado para mitigar las frecuencias ajustadas resultantes de la onda de tensión para disipar la energía cinética. Como se ilustra en la FIG. 2 y descrito en la presente memoria, el material viscoelástico se selecciona en función de las frecuencias ajustadas particulares, en las que, por ejemplo, el material viscoelástico V1 es suficiente para disipar aproximadamente 77% de la energía cinética (KE) de las frecuencias ajustadas, V2 es suficiente para disipar aproximadamente 95% de la energía cinética (KE) de las frecuencias ajustadas, y V3 es suficiente para disipar aproximadamente 96% de la energía cinética (KE) de las frecuencias ajustadas. La FIG. 2 se generó en respuesta a un penetrador que impacta en la estructura de la FIG. 1 con una energía cinética de aproximadamente 10 J. En esta realización, el conjunto de la capa de ajuste 12 es un material elástico fino y el conjunto de capa disipadora 14 es un material viscoelástico más grueso. Las frecuencias dominantes que entran en la segunda capa en este ejemplo están en el intervalo de 0,01 -100 Hz (aproximadamente). With special reference to FIGS. 1 and 2, in some embodiments, the multilayer adjustment and mitigation system 10 may comprise a single layer adjustment layer assembly 12 and a single layer dissipative layer assembly 14. Thus, the mitigation layer assembly Single layer adjustment 12 is an elastic material that is sufficient to work with the single layer dissipative layer assembly 14 to adjust the frequencies of the impact stress waves. The dissipative layer assembly 14 is a viscoelastic material selected to mitigate the resulting tuned frequencies of the stress wave to dissipate kinetic energy. As illustrated in FIG. 2 and described herein, the viscoelastic material is selected based on the particular tuned frequencies, where, for example, the viscoelastic material V1 is sufficient to dissipate approximately 77% of the kinetic energy (KE) of the tuned frequencies. , V2 is sufficient to dissipate approximately 95% of the kinetic energy (KE) of the set frequencies, and V3 is sufficient to dissipate approximately 96% of the kinetic energy (KE) of the set frequencies. FIG. 2 was generated in response to a penetrator impacting the structure of FIG. 1 with a kinetic energy of approximately 10 J. In this embodiment, the adjustment layer assembly 12 is a thin elastic material and the dissipative layer assembly 14 is a thicker viscoelastic material. The dominant frequencies entering the second layer in this example are in the range of 0.01-100 Hz (approximately).

Con especial referencia a las FIGS. 3 y 4, en algunas realizaciones, el sistema de ajuste y mitigación multicapa 10 puede comprender un conjunto de capa de ajuste de una sola capa 12 y un conjunto de capa disipadora multicapa 14. De este modo, el conjunto de capas de ajuste de una sola capa 12 es un material elástico que es suficiente para trabajar con el conjunto de capas disipadoras de varias capas 14 para ajustar las frecuencias de las ondas de tensión del impacto. El conjunto de capas disipadoras multicapa 14 puede comprender dos o más materiales viscoelásticos seleccionados para mitigar cada uno una porción de las frecuencias ajustadas resultantes de la onda de tensión para disipar la energía cinética. En algunas realizaciones, se pueden utilizar varias capas del conjunto de capas disipadoras multicapa 14 para disipar las mismas frecuencias, frecuencias diferentes y/o frecuencias superpuestas. Por ejemplo, el conjunto de capa de ajuste de una sola capa 12 puede funcionar para ajustar las ondas de tensión a un intervalo de frecuencias, y una capa del conjunto de capa disipadora 14 puede disipar un primer subintervalo de las frecuencias y una segunda capa del conjunto de capa disipadora 14 puede disipar un segundo subintervalo de las frecuencias. El primer y el segundo subintervalo pueden ser diferentes, superponerse o ser el mismo. Como se ilustra en la FIG. 4 y descrito en la presente memoria, los materiales viscoelásticos del conjunto de capas disipadoras multicapa 14 se seleccionan en función de las frecuencias ajustadas particulares, en las que, por ejemplo, el material viscoelástico compuesto V1 es suficiente para disipar aproximadamente 80% de la energía cinética (KE) de las frecuencias ajustadas, el material viscoelástico compuesto V2 es suficiente para disipar aproximadamente 94% de la energía cinética (KE) de las frecuencias ajustadas, y el material viscoelástico compuesto V3 es suficiente para disipar aproximadamente 95% de la energía cinética (KE) de las frecuencias ajustadas.With special reference to FIGS. 3 and 4, in some embodiments, the multilayer adjustment and mitigation system 10 may comprise a single layer adjustment layer assembly 12 and a multilayer dissipative layer assembly 14. Thus, the adjustment layer assembly of a The single layer 12 is an elastic material that is sufficient to work with the multilayer dissipative layer assembly 14 to adjust the frequencies of the impact stress waves. The multilayer dissipative layer assembly 14 may comprise two or more viscoelastic materials selected to each mitigate a portion of the resulting tuned frequencies of the stress wave to dissipate kinetic energy. In some embodiments, multiple layers of the multilayer dissipative layer assembly 14 may be used to dissipate the same frequencies, different frequencies, and/or overlapping frequencies. For example, the single-layer tuning layer assembly 12 may function to tune the voltage waves to a range of frequencies, and one layer of the dissipating layer assembly 14 may dissipate a first subrange of frequencies and a second layer of the dissipating layer. dissipating layer assembly 14 may dissipate a second subrange of the frequencies. The first and second subintervals may be different, overlapping, or the same. As illustrated in FIG. 4 and described herein, the viscoelastic materials of the multilayer dissipative layer assembly 14 are selected based on particular tuned frequencies, where, for example, the composite viscoelastic material V1 is sufficient to dissipate approximately 80% of the kinetic energy ( KE) of the adjusted frequencies, the V2 composite viscoelastic material is sufficient to dissipate approximately 94% of the kinetic energy (KE) of the adjusted frequencies, and the V3 composite viscoelastic material is sufficient to dissipate approximately 95% of the KE ) of the adjusted frequencies.

También debe apreciarse que, en algunas realizaciones, el sistema de ajuste y mitigación multicapa 10 puede comprender un conjunto de capa de ajuste multicapa 12 y un conjunto de capa disipadora monocapa 14, o un conjunto de capa de ajuste multicapa 12 y un conjunto de capa disipadora multicapa 14.It should also be appreciated that, in some embodiments, the multilayer adjustment and mitigation system 10 may comprise a multilayer adjustment layer assembly 12 and a single-layer dissipative layer assembly 14, or a multilayer adjustment layer assembly 12 and a dissipative layer assembly 12. multilayer heatsink 14.

En algunas realizaciones, el conjunto de capas de ajuste 12 puede modificarse, variando así su rendimiento e impedancia acústica, seleccionando el material, el espesor y, en el caso de una configuración multicapa, la forma y si las capas están unidas. Asimismo, el conjunto de capas disipadoras 14 puede modificarse, variando así su rendimiento disipador, mediante la selección del material, el espesor y, en el caso de una configuración multicapa, la forma y si las capas están unidas. A modo de ejemplo no limitativo, en algunas realizaciones, el conjunto de capas de ajuste 12 puede estar hecho de un material elástico, como termoplásticos (por ejemplo, policarbonato, polietileno), metales, cerámicas, polímeros (de tipo elástico), compuestos y sólidos biológicos (por ejemplo, hueso, ligamento). Además, el conjunto de capa disipadora 14 puede estar fabricado con material viscoelástico, tal como por ejemplo polímeros. No obstante, debe comprenderse que los polímeros pueden ser elásticos y/o viscoelásticos. El hecho de que sean elásticos o viscoelásticos en una aplicación determinada depende de la temperatura de aplicación y de las frecuencias consideradas. En otras palabras, un polímero dado a una temperatura determinada responde elásticamente a algunas frecuencias y de manera viscoelástica a otras.In some embodiments, the set of trim layers 12 can be modified, thereby varying its performance and acoustic impedance, by selecting the material, the thickness, and, in the case of a multi-layer configuration, the shape and whether the layers are bonded. Also, the set of dissipative layers 14 can be modified, thus varying their dissipative performance, by selection of material, thickness and, in the case of a multi-layer configuration, shape and whether the layers are bonded. By way of non-limiting example, in some embodiments, the fitment layer assembly 12 may be made of an elastic material, such as thermoplastics (eg, polycarbonate, polyethylene), metals, ceramics, polymers (elastic-type), composites, and biological solids (eg, bone, ligament). In addition, the dissipative layer assembly 14 can be made of viscoelastic material, such as polymers. However, it should be understood that the polymers can be elastic and/or viscoelastic. Whether they are elastic or viscoelastic in a given application depends on the application temperature and the frequencies considered. In other words, a given polymer at a given temperature responds elastically at some frequencies and viscoelasticly at others.

El conjunto de capa de ajuste 12 se selecciona típicamente en función de otros requisitos funcionales de la aplicación, tal como la resistencia a las virutas de una pintura en capas, la resistencia a la penetración balística en una armadura militar y la protección del cráneo contra la fractura en un casco deportivo. Por lo tanto, la impedancia acústica del conjunto de la capa de ajuste 12 se establece una vez que se lleva a cabo esta selección (sin embargo, puede haber varios materiales que se ajusten a la cuenta). El espesor del conjunto de la capa de ajuste 12 también puede establecerse mediante estos requisitos funcionales existentes. Los atributos mecánicos y físicos del conjunto de la capa de ajuste 12 determinan una de las frecuencias que se pasarán al conjunto de capa disipadora 14 en un diseño ajustado. También proporcionan la masa del conjunto de la capa de afinación 12, que junto con el conjunto de capa disipadora 14, determinará una frecuencia adicional que se pasa al conjunto de capa disipadora 14 en un sistema dinámico (masa-resorte en el que el conjunto de la capa de afinación 12 es la masa y el conjunto de capa disipadora 14 es el resorte). El conjunto de capa disipadora 14 se elige para tener una impedancia acústica más baja que el conjunto de la capa de ajuste 12, para proporcionar el ajuste y mitigar la fuerza transmitida. Las propiedades elásticas del conjunto de capas disipadoras 14 determinan esta impedancia; un ajuste óptimo requiere una reducción significativa de la impedancia en la capa 2 con respecto a la de la capa 1. El conjunto de capa disipadora 14 puede incluir porciones que son elásticas, en las que actúa como el resorte en un sistema dinámico masa-resorte que tiene una frecuencia característica, o puede incluir porciones que son viscoelásticas para amortiguar adicionalmente la frecuencia ajustada o la frecuencia masa-resorte, o ambas. Si el conjunto de capas disipadoras 14 es parcialmente elástico, se requieren capas viscoelásticas adicionales para disipar el impulso. Un conjunto de capa disipadora viscoelástica 14 es a la vez elástico y viscoso, de modo que satisface todas las funciones anteriormente descritas del conjunto de capa disipadora 14 para ajustar con el conjunto de capa de ajuste 12 y vibrar con el conjunto de capa de ajuste 12 como un sistema masa-resorte. Además, se selecciona para amortiguar una o más de las frecuencias. Si el conjunto de capas disipadoras 14 es elástico, se selecciona una capa adicional para amortiguar las frecuencias transmitidas.The adjustment layer assembly 12 is typically selected based on other functional requirements of the application, such as chip resistance of a layered paint, resistance to ballistic penetration in military armor, and protection of the skull from fracture in a sports helmet. Therefore, the acoustic impedance of the fit layer assembly 12 is established once this selection is made (however, there may be several materials that fit the bill). The thickness of the adjustment layer assembly 12 can also be established by these existing functional requirements. The mechanical and physical attributes of the tuning layer assembly 12 determine one of the frequencies that will be passed to the damping layer assembly 14 in a tuned design. They also provide the mass of the tuning layer assembly 12, which together with the quenching layer assembly 14, will determine an additional frequency that is passed to the quenching layer assembly 14 in a dynamic system (mass-spring in which the quenching layer assembly the tuning layer 12 is the mass and the dissipating layer assembly 14 is the spring). Dissipative layer assembly 14 is chosen to have a lower acoustic impedance than fit layer assembly 12, to provide fit and mitigate transmitted force. The elastic properties of the set of dissipative layers 14 determine this impedance; an optimal fit requires a significant reduction in the impedance in layer 2 relative to that in layer 1. The dissipative layer assembly 14 may include portions that are elastic, in that it acts as the spring in a dynamic mass-spring system. having a characteristic frequency, or may include portions that are viscoelastic to further damp the set frequency or the mass-spring frequency, or both. If the dissipative layer assembly 14 is partially elastic, additional viscoelastic layers are required to dissipate the impulse. A viscoelastic dissipative layer assembly 14 is both elastic and viscous so that it satisfies all of the previously described functions of dissipative layer assembly 14 to fit with adjusting layer assembly 12 and vibrate with adjusting layer assembly 12. as a mass-spring system. Also, it is selected to dampen one or more of the frequencies. If the set of dissipating layers 14 is elastic, an additional layer is selected to damp the transmitted frequencies.

Por propósitos de ilustración, la presente invención se discutirá en relación con el diseño de un casco de fútbol americano. Sin embargo, tal y como se expone en la presente memoria, lo siguiente no debe considerarse como una limitación de la presente invención a sólo las realizaciones ilustradas.For purposes of illustration, the present invention will be discussed in connection with the design of a football helmet. However, as set forth herein, the following should not be construed as limiting the present invention to only the illustrated embodiments.

ENFOQUE TÉCNICOTECHNICAL APPROACH

Estrategia para la salud de la cabeza - Cuando la cabeza es sometida a una fuerza impulsiva como un impacto o una onda expansiva, hay dos atributos del evento que pueden conducir a daños en el cerebro. La primera es la fuerza transmitida directamente (que corresponde directamente a la aceleración de la cabeza). El segundo es el impulso transmitido (que corresponde al cambio absoluto, no a la tasa de cambio, de la velocidad de la cabeza). Es sabido desde hace más de 70 años, si bien no reconocido generalmente, que el daño en los impulsos de larga duración depende de la fuerza máxima, mientras que el daño en los impulsos de corta duración depende de la magnitud del impulso. Para limitar la fuerza en el diseño de un casco, se puede utilizar el desajuste de la impedancia elástica para reducir la fuerza, y la disipación de energía para reducir el impulso. La presente estrategia de diseño es única, ya que se dirige específicamente a ambos de forma deliberada y no incidental.Head Health Strategy - When the head is subjected to an impulsive force such as an impact or blast wave, there are two attributes of the event that can lead to brain damage. The first is the directly transmitted force (which corresponds directly to the acceleration of the head). The second is the transmitted impulse (which corresponds to the absolute change, not the rate of change, of the velocity of the head). It has been known for more than 70 years, although not generally recognized, that long-duration impulse damage depends on the maximum force, while short-duration impulse damage depends on the magnitude of the impulse. To limit force in a hull design, elastic impedance mismatch can be used to reduce force, and energy dissipation to reduce momentum. The present design strategy is unique in that it specifically addresses both deliberately and not incidentally.

Descripción del material - El enfoque técnico es una estrategia para diseñar un material de composite para la mitigación óptima de un impulso utilizando sólidos elásticos y viscoelásticos. Debe hacerse referencia adicional a la Solicitud PCT con Núm. Serie PCT/US2014/065658 titulada: "Ajuste y mitigación de frecuencia de explosiones/impactos". Material Description - The technical approach is a strategy to design a composite material for optimal shock mitigation using elastic and viscoelastic solids. Further reference should be made to PCT Application Serial No. PCT/US2014/065658 entitled: "Blast/impact frequency adjustment and mitigation".

Como ejemplo de diseño se selecciona un casco deportivo (de fútbol americano). Los diseños actuales de los cascos tienen otras funciones, como la de evitar la fractura del cráneo; por ello, para la presente demostración se han seleccionado materiales similares a los que se utilizan actualmente. La cubierta exterior de un casco de fútbol americano suele ser un termoplástico, tal como policarbonato (PC), por lo que se ha limitado la presente selección de la capa exterior a polímeros similares. Estos materiales no se deforman plásticamente bajo las cargas de impacto observadas en los deportes. Por lo tanto, responden como sólidos elásticos lineales. La mitigación de la fuerza transmitida a través de los materiales elásticos se logra fácilmente mediante un enfoque de desajuste de impedancia. Los cascos actuales utilizan esta estrategia de forma eficaz acoplando la primera capa de alta impedancia elástica a una segunda capa de baja impedancia elástica. Se ha seleccionado un material elástico para la segunda capa que tiene una impedancia elástica mucho menor que la de la primera capa para preservar las propiedades de mitigación de la fuerza de los cascos existentes, y para proporcionar la ajuste que está en el corazón del presente diseño. Una espuma de vinilo sirve para este propósito en el presente diseño. Los materiales elásticos no disipan nada de la energía asociada a un impacto; por lo tanto, una estrategia centrada en la reducción de la fuerza de un impacto mediante el desajuste de la impedancia elástica no contribuye a mitigar el impulso. Dicho de otro modo, esta estrategia no disipa la energía del impacto. Una tercera capa viscoelástica, o disipadora, puede disipar la energía; la elección óptima de las propiedades disipadoras de la tercera capa depende de las propiedades de las dos primeras.A sports (American football) helmet is selected as an example of design. Current helmet designs have other functions, such as preventing skull fractures; For this reason, materials similar to those currently used have been selected for this demonstration. The outer shell of a football helmet is typically a thermoplastic, such as polycarbonate (PC), thus the present selection of the outer layer has been limited to similar polymers. These materials do not plastically deform under the impact loads seen in sports. Therefore, they respond as linear elastic solids. Mitigation of the force transmitted through elastic materials is easily achieved using an impedance mismatch approach. Current helmets use this strategy effectively by coupling the first layer of high elastic impedance to a second layer of low elastic impedance. An elastic material has been selected for the second layer that has a much lower elastic impedance than the first layer to preserve the force-mitigating properties of existing helmets, and to provide the fit that is at the heart of the present design. . A vinyl foam serves this purpose in the present design. Elastic materials do not dissipate any of the energy associated with an impact; therefore, a strategy focused on reducing the force of an impact through elastic impedance mismatch does not contribute to mitigating momentum. In other words, this strategy does not dissipate the impact energy. A third viscoelastic, or dissipative, layer can dissipate energy; the optimal choice of the dissipative properties of the third layer depends on the properties of the first two.

Se ha limitado la selección de la tercera capa de material disipador a materiales viscoelásticos dado que el diseño debe ser capaz de disipar la misma cantidad de energía cada vez que el casco recibe un impacto. Los materiales que se deforman plásticamente y los materiales que se fracturan, deslaminan, resquebrajan y/o agrietan en un primer impacto no serán eficaces para disipar la energía en impactos posteriores de igual intensidad. Un material viscoelástico lineal puede disipar energía repetidamente. Sin embargo, es más eficaz en la disipación de energía a una frecuencia específica: esta frecuencia crítica (fcRr) es una función de sus módulos no relajados y relajados y su tiempo de relajación característico. En un impacto, la onda de tensión transmitida a un material sólido contiene un amplio espectro de energía, por lo que este mismo material viscoelástico actuando por sí solo no será eficaz para disipar la energía del impacto.The selection of the third layer of dissipative material has been limited to viscoelastic materials since the design must be able to dissipate the same amount of energy each time the helmet receives an impact. Materials that deform plastically and materials that fracture, delaminate, crack and/or crack on a first impact will not be effective in dissipating energy on subsequent impacts of equal intensity. A linear viscoelastic material can repeatedly dissipate energy. However, it is more efficient at dissipating energy at a specific frequency: this critical frequency ( fcRr) is a function of its unrelaxed and relaxed moduli and its characteristic relaxation time. In an impact, the stress wave transmitted to a solid material contains a wide spectrum of energy, so this same viscoelastic material acting alone will not be effective in dissipating the impact energy.

La presente solución novedosa para optimizar la disipación viscoelástica es ajustar la onda de tensión que entra en el material viscoelástico a una frecuencia que coincida con fcRir y amortiguar efectivamente esa frecuencia. Las primeras una o dos capas del material de composite en MITIGATIUM™ modulan la onda de tensión a una frecuencia que depende de sus propiedades elásticas, físicas y geométricas, además de mitigar la magnitud de la onda de tensión. Por lo tanto, tanto la magnitud de la fuerza (o tensión) como el impulso transmitido se reducen con el enfoque MITIGATIUM™. Una cuarta capa de espuma de confort se utiliza opcionalmente en el diseño porque cumple funciones importantes en los diseños de cascos actuales. Además de proporcionar comodidad al usuario, permite un ajuste regulable.The present novel solution to optimize viscoelastic dissipation is to tune the stress wave entering the viscoelastic material to a frequency that matches fcRir and effectively damp that frequency. The first one or two layers of the composite material in MITIGATIUM™ modulate the stress wave at a frequency that depends on its elastic, physical, and geometric properties, as well as mitigate the magnitude of the stress wave. Therefore, both the magnitude of the force (or stress) and the transmitted impulse are reduced with the MITIGATIUM™ approach. A fourth layer of comfort foam is optionally used in the design because it serves important roles in today's helmet designs. In addition to providing comfort to the user, it allows an adjustable fit.

Datos que apoyan la disipación de energía - Se han realizado experimentos de impacto con MITIGATIUM™ y con un diseño de casco existente y se ha determinado que MITIGATIUM™ da lugar a una aceleración máxima significativamente menor que la del casco existente. Se han comparado estos resultados experimentales con los análisis computacionales para validar los presentes modelos computacionales de carga de impacto y propagación de ondas de tensión. También se han realizado análisis computacionales unidimensionales y bidimensionales de un diseño de casco MITIGATIUM™ y de un diseño de casco existente en un sistema cráneo/cerebro para demostrar la capacidad de disipación de energía de MITIGATIUM™. Los presentes resultados demuestran que el casco MITIGATIUM™ reduce la presión y el impulso transmitidos al cráneo y, por tanto, al cerebro, y que MITIGATIUM™ también reduce las aceleraciones traslacionales y rotacionales dentro del cerebro en comparación con las de un diseño de casco existente.Data Supporting Energy Dissipation - Impact experiments have been conducted with MITIGATIUM™ and an existing helmet design and it has been determined that MITIGATIUM™ results in a significantly lower maximum acceleration than the existing helmet. These experimental results have been compared with computational analyzes to validate the present computational models of impact loading and stress wave propagation. One-dimensional and two-dimensional computational analyzes of a MITIGATIUM™ helmet design and of an existing helmet design in a skull/brain system have also been performed to demonstrate the energy dissipation capabilities of MITIGATIUM™. The present results demonstrate that the MITIGATIUM™ helmet reduces pressure and impulse transmitted to the skull and thus the brain, and that MITIGATIUM™ also reduces translational and rotational accelerations within the brain compared to an existing helmet design. .

Mediciones de impacto - Se construyó una muestra prototipo de MITIGATIUM™ de la siguiente manera: capa 1, PE de 2,4 mm de espesor (McMaster Carr); capa 2, nitrilo vinílico de 12,7 mm de espesor (Grainger); capa 3, poliuretano (PU, McMaster Carr, de hecho tres capas de 4,1 mm de PU apiladas); capa 4, espuma blanda "confort" de 12,7 mm de espesor (McMaster Carr). Las dimensiones totales del espécimen de MITIGATIUM™ eran de 305 mm * 305 mm * 42 mm ["MITIGATIUM™ sin unión"]. También se construyó una muestra de prueba basada en un diseño de casco existente. Éste estaba formado por capas de PC (3,2 mm de espesor, McMaster Carr), vinilo (25,4 mm de espesor, Grainger) y espuma blanda (12,7 mm de espesor, McMaster Carr), de manera tal que su tamaño total era de 305 mm X 305 mm X 41 mm ["actual sin unión"]. Se construyeron conjuntos duplicados de cada tipo de espécimen y estas capas se unieron con un adhesivo en spray (3M Super 77) ["MITIGATIUM™ unido" y "Actual unido"]. Se utilizó un penetrador cilíndrico de acero (2,8 kg, 7,5 cm de diámetro, 7,5 cm de longitud, McMater Carr) para impactar en cada muestra. El penetrador se dejó caer desde una altura de 72 cm (20 J) utilizando una liberación rápido y la posición vs. tiempo del penetrador se registró mediante una cámara de vídeo digital de alta velocidad (Optotrak Certus) a una velocidad de 400 imágenes/s. Cada tipo de muestra se penetró cinco veces. Impact Measurements - A prototype sample of MITIGATIUM™ was constructed as follows: layer 1, 2.4mm thick PE (McMaster Carr); layer 2, 12.7 mm thick vinyl nitrile (Grainger); layer 3, polyurethane (PU, McMaster Carr, actually three layers of 4.1mm PU stacked); layer 4, 12.7 mm thick "comfort" soft foam (McMaster Carr). The overall dimensions of the MITIGATIUM™ specimen were 305mm * 305mm * 42mm ["MITIGATIUM™ unbonded"]. A test sample based on an existing hull design was also built. This was made up of layers of PC (3.2 mm thick, McMaster Carr), vinyl (25.4 mm thick, Grainger) and soft foam (12.7 mm thick, McMaster Carr), in such a way that its overall size was 305mm X 305mm X 41mm ["current unjoined"]. Duplicate sets of each specimen type were constructed and these layers were bonded with a spray adhesive (3M Super 77) ["MITIGATIUM™ Bonded" and "Current Bonded"]. A cylindrical steel indenter (2.8 kg, 7.5 cm diameter, 7.5 cm length, McMater Carr) was used to impact each sample. The penetrator was dropped from a height of 72 cm (20 J) using a quick release and the vs. position. Indenter time was recorded using a high-speed digital video camera (Optotrak Certus) at a speed of 400 images/s. Each type of sample was penetrated five times.

La derivada de los datos de posición vs. tiempo se calculó utilizando un procedimiento de diferenciación finita centrada en 5 puntos para obtener los datos de velocidad vs. tiempo. La derivada de los datos de velocidad vs. tiempo se calculó de forma similar para obtener los datos de aceleración frente al tiempo. Se determinó la aceleración máxima del penetrador para cada tipo de muestra y los resultados aparecen en la Tabla 1. Las aceleraciones máximas del penetrador durante el impacto de las probetas unidas superaron las de las probetas no unidas tanto para las muestras MITIGATIUM™ como para las actuales. Las aceleraciones máximas del penetrador durante el impacto de las dos muestras "Actuales" superaron las de las muestras MITIGATIUM™ tanto para los casos unidos como para los no unidos. Por lo tanto, el pico de aceleración del penetrador más bajo fue el que impactó en la muestra de MITIGATIUM™ sin unión. Como se describe en la presente memoria, la aceleración de la cabeza en un impacto es directamente proporcional a la fuerza máxima transmitida a través de un casco al cráneo. Los experimentos de impacto realizados en este caso no son una indicación directa de la fuerza transmitida a través de las muestras, pero la aceleración del penetrador sirve como proxy del cráneo y proporciona una indicación de la respuesta de mitigación de la fuerza de las muestras. Por lo tanto, estos resultados indican que la muestra de MITIGATIUM™ es un mejor atenuador de la fuerza de lo que es el diseño actual del casco, y que las capas no unidas atenúan la fuerza mejor que las capas unidas. The derivative of the position data vs. time was calculated using a 5-point centered finite differencing procedure to obtain data on velocity vs. weather. The derivative of the speed data vs. time was calculated in a similar way to obtain acceleration versus time data. The maximum indenter acceleration was determined for each type of specimen and the results are shown in Table 1. The maximum indenter accelerations during impact of the bonded specimens exceeded those of the unbonded specimens for both samples. MITIGATIUM™ as for the current ones. The maximum indenter accelerations during impact of the two "Current" samples exceeded those of the MITIGATIUM™ samples for both the bound and unbound cases. Therefore, the lowest indenter acceleration peak was the one that impacted the unbound MITIGATIUM™ sample. As described herein, head acceleration on impact is directly proportional to the maximum force transmitted through a helmet to the skull. The impact experiments performed in this case are not a direct indication of the force transmitted through the samples, but the indenter acceleration serves as a proxy for the skull and provides an indication of the force mitigation response of the samples. Therefore, these results indicate that the MITIGATIUM™ sample is a better force attenuator than the current helmet design is, and that the unbonded layers are better force attenuator than the bonded layers.

Tabla 1: Resultados experimentales de aceleración máximaTable 1: Experimental results of maximum acceleration

Simulaciones de impacto con penetrador - El procedimiento experimental de impacto con penetrador se replicó computacionalmente utilizando las mismas geometrías para las muestras y el penetrador que en los experimentos, y las propiedades mecánicas y de los materiales para las capas de la Tabla 2. En las simulaciones se suponía que todas las capas de las muestras estaban unidas (para evitar prescribir las propiedades de contacto por fricción), pero no existían capas unidas; los nodos de la capa uno estaban unidos a los nodos de la capa dos, etc. Por lo tanto, el efecto de las propiedades mecánicas de las capas adhesivas en los experimentos no se examina en estas simulaciones computacionales. Para las simulaciones se utilizó el paquete comercial de elementos finitos ABAQUS Explicit. La geometría del modelo computacional aparece en la FIG. 5. Se le dio al penetrador una velocidad inicial de 3,7 m/s, que corresponde a la velocidad de un penetrador de 2,8 kg dejado caer desde una altura de 72 cm, de acuerdo con los experimentos. También se aplicó una fuerza corporal de 79.000 kg/m2s2 (densidad * gravedad) al penetrador para tener en cuenta la fuerza gravitatoria. Las aceleraciones máximas del penetrador determinadas a partir de estos análisis son: MIGATIUM™ unido, 550 m/s2; unido actual, 700 m/s2. Los resultados computacionales están dentro del 10% de los valores experimentales medios para las aceleraciones máximas que se indican en la Tabla 1. Estos resultados replican lo que se determinó experimentalmente, es decir, que MITIGATIUM™ es un mejor atenuador de la fuerza que el diseño actual del casco. Estos resultados computacionales proporcionan una confianza razonable en que se puede explorar la respuesta al impacto de varios diseños de cascos en la transmisión para predecir las propiedades de mitigación de la fuerza y el impulso, y por lo tanto las respuestas de prevención de lesiones, de la actual realización MITIGATIUM™, o de una realización óptima, frente a los diseños de cascos actuales. Indenter impact simulations - The indenter impact experimental procedure was replicated computationally using the same geometries for the specimens and indenter as in the experiments, and the mechanical and material properties for the layers in Table 2. In the simulations all layers of the samples were assumed to be bonded (to avoid prescribing frictional contact properties), but no bonded layers existed; layer one nodes were attached to layer two nodes, etc. Therefore, the effect of the mechanical properties of the adhesive layers in the experiments is not examined in these computational simulations. For the simulations, the commercial finite element package ABAQUS Explicit was used. The geometry of the computational model appears in FIG. 5. The indenter was given an initial speed of 3.7 m/s, which corresponds to the speed of a 2.8 kg indenter dropped from a height of 72 cm, according to the experiments. A body force of 79,000 kg/m2s2 (density * gravity) was also applied to the indenter to account for gravitational force. The maximum indenter accelerations determined from these analyzes are: MIGATIUM™ bonded, 550 m/s2; attached current, 700 m/s2. The computational results are within 10% of the mean experimental values for peak accelerations listed in Table 1. These results replicate what was found experimentally, namely that MITIGATIUM™ is a better force attenuator than the design. hull current. These computational results provide reasonable confidence that the impact response of various helmet designs in the drivetrain can be explored to predict the force and impulse mitigation properties, and thus injury prevention responses, of the helmet. current MITIGATIUM™ performance, or best performance, versus current helmet designs.

Tabla 2: Propiedades mecánicas y físicas de capas utilizadas en análisis computacional de impactos.Table 2: Mechanical and physical properties of layers used in computational analysis of impacts.

Análisis unidimensional de la transmisión a través de capas elásticas y viscoelásticas - Se analizó la mecánica de la transmisión de las ondas de impacto a través de capas de materiales elásticos y viscoelásticos, como los que se encuentran en los cascos de fútbol americanos existentes, y se desarrolló el diseño MITIGATIUM™ para un nuevo casco deportivo compuesto por capas que pueden disipar óptimamente la energía del impacto. Los presentes resultados demuestran que un diseño de casco existente puede reducir la sobrepresión transmitida al cráneo en el interior del casco en un orden de magnitud respecto a la entregada por el impacto a la superficie externa del casco, pero no tiene ningún efecto sobre el impulso transmitido. One-Dimensional Analysis of Transmission Through Elastic and Viscoelastic Layers - The mechanics of shock wave transmission through layers of elastic and viscoelastic materials, such as those found in existing football helmets, were analyzed and developed the MITIGATIUM™ design for a new sports helmet made up of layers that can optimally dissipate impact energy. The present results demonstrate that an existing helmet design can reduce the overpressure transmitted to the skull inside the helmet by an order of magnitude relative to that delivered by the impact to the outer surface of the helmet, but has no effect on the transmitted impulse. .

El nuevo paradigma de diseño MITIGATIUM™ no sólo puede reducir aún más la sobrepresión en un orden de magnitud adicional sobre los enfoques existentes, sino que también puede reducir el impulso entregado al cerebro en un orden de magnitud.The new MITIGATIUM™ design paradigm can not only further reduce overpressure by an additional order of magnitude over existing approaches, it can also reduce the impulse delivered to the brain by an order of magnitude.

Esto se consigue mediante una capa viscoelástica seleccionada para que coincida con el ajuste inducido por la otra u otras capas. Los materiales viscoelásticos lineales disipan la energía a frecuencias específicas y lo hacen repetidamente. Cabe destacar nuevamente que un impacto arbitrario en un casco no dará lugar a una onda de tensión con una distribución de frecuencia óptima para ser disipada, tanto si se trata de diseños con materiales monolíticos como de diseños rellenos de fluido o con espacios de aire. Todos estos diseños, al igual que el diseño viscoelástico, disiparán la energía de forma óptima a frecuencias específicas. Por lo tanto, el concepto de diseño de disipación óptima debe contener el aspecto de ajuste de frecuencia.This is achieved by a viscoelastic layer selected to match the fit induced by the other layer(s). Linear viscoelastic materials dissipate energy at specific frequencies and do so repeatedly. It should be noted again that an arbitrary impact on a hull will not result in a stress wave with an optimal frequency distribution to be dissipated, whether it is monolithic material designs, fluid filled or air gap designs. All of these designs, like the viscoelastic design, will optimally dissipate energy at specific frequencies. Therefore, the optimal dissipation design concept must contain the frequency tuning aspect.

Un diseño de una o varias capas permite ajustar un impacto arbitrario en una frecuencia específica que puede ser disipada de forma óptima por la capa viscoelástica. La capa viscoelástica, actuando sola, no es eficaz. El presente análisis unidimensional muestra que el uso de un material viscoelástico por sí solo, sin componentes de ajuste, transmite el 90% del impulso de un evento de impacto. Sin embargo, cuando un material viscoelástico se acopla de forma óptima a materiales elásticos que sintonizan la onda de tensión con la frecuencia crítica de amortiguación del material viscoelástico, se transmite menos del 30% del impulso.A single or multi-layer design allows an arbitrary impact to be set at a specific frequency that can be optimally dissipated by the viscoelastic layer. The viscoelastic layer, acting alone, is not effective. The present one-dimensional analysis shows that the use of a viscoelastic material alone, without adjustment components, transmits 90% of the impulse of an impact event. However, when a viscoelastic material is optimally coupled to elastic materials that tune the stress wave to the critical damping frequency of the viscoelastic material, less than 30% of the impulse is transmitted.

En algunas realizaciones, este diseño óptimo de MITIGATIUM™ puede comprender una frecuencia de ajuste que es alta, por lo que el espesor de la tercera capa disipadora se reduce debido a la mayor frecuencia de ajuste. Por lo tanto, este MITIGATIUM™ óptimo es más fino y ligero que los cascos de fútbol americano actuales. Las propiedades requeridas del material viscoelástico están dentro de cualquier intervalo esperado de los poliuretanos.In some embodiments, this optimal MITIGATIUM™ design may comprise an adjustment frequency that is high, whereby the thickness of the third dissipative layer is reduced due to the increased adjustment frequency. Therefore, this optimal MITIGATIUM™ is thinner and lighter than current football helmets. The required properties of the viscoelastic material are within any range expected of polyurethanes.

Análisis bidimensional de la respuesta al impacto de los cascos - Se comparó un diseño de casco MITIGATIUM™ con un casco deportivo existente utilizando análisis bidimensionales de elementos finitos de la carga de impacto. Para las simulaciones se utilizó nuevamente el paquete comercial de elementos finitos ABAQUS Explicit. Las geometrías utilizadas en los modelos de elementos finitos se muestran en las FIGS. 6A y 6B. En estas simulaciones, la cabeza se modeló como un sistema de dos componentes consistente en un borde exterior con un material con propiedades que se aproximaban a un cráneo, y una región interior de material con propiedades que se aproximaban al cerebro. El modelo correspondiente a un diseño de casco de fútbol americano existente tiene una capa exterior de 4 mm de plástico ABS, una segunda capa de 23 mm de una espuma dura, y una capa interior de 9 mm de espuma "confort", como se muestra en la FIG. 6A. Seleccionó el casco MITIGATIUM™ de la FIG. 6B de modo que tenga la misma masa y volumen que el casco existente. La capa exterior de 4 mm es de polietileno, la segunda capa de 20,5 mm es una espuma elástica a base de estireno y la tercera capa de 2,5 mm es un material viscoelástico a base de uretano. La cuarta capa de este casco no es necesaria; se incluye para adaptarse al tamaño y peso del casco existente, y porque la espuma de confort es importante para los usuarios de cascos. De hecho, el diseño del casco MITIGATIUM™ puede hacerse significativamente más delgado y liviano que el casco existente. La selección de diseños de igual masa normaliza la respuesta, ya que la eficacia del blindaje para reducir la transferencia de momento depende de la masa. Los modelos de casco fueron sometidos a una carga de presión de impacto oblicuo de la forma y duración mostradas en la FIG. 6C. Se determinó la presión máxima y el impulso transmitido al cráneo. Se examinaron las aceleraciones lineales y rotativas en toda la región del cerebro y se registraron los valores máximos para su comparación. Los resultados se muestran en la Tabla 3 y en las FIGS. 7A-7C. Como muestra la tabla, la selección de la capa exterior afecta a la presión, el impulso y la duración del impacto que recibe el casco con una carga de impacto determinada. En las dos últimas columnas se comparan la presión y el impulso transmitidos al cráneo por los dos diseños de casco, normalizados por los valores transmitidos por el diseño de casco existente. El casco MITIGATIUM™ transmite menos de 1% de la presión y 31% del impulso que transmite el casco actual. Es importante considerar que sólo en este tipo de geometría -en la que hay interacción entre la cabeza y el casco- se pueden considerar todos los efectos de la transmisión de impulsos. En última instancia, la validación debe realizarse con este tipo de geometría, en lugar de considerar los impulsos transmitidos a una placa rígida masiva. Two-Dimensional Analysis of Helmet Impact Response - A MITIGATIUM™ helmet design was compared to an existing sports helmet using two-dimensional finite element analysis of impact load. For the simulations, the commercial finite element package ABAQUS Explicit was used again. The geometries used in the finite element models are shown in FIGS. 6A and 6B. In these simulations, the head was modeled as a two-component system consisting of an outer rim of material with properties approximating a skull, and an inner region of material with properties approximating the brain. The model corresponding to an existing football helmet design has an outer layer of 4mm of ABS plastic, a second layer of 23mm of a hard foam, and an inner layer of 9mm of "comfort" foam, as shown. in FIG. 6A. He selected the MITIGATIUM™ helmet from FIG. 6B so that it has the same mass and volume as the existing hull. The outer 4mm layer is polyethylene, the second 20.5mm layer is a styrene-based elastic foam, and the third 2.5mm layer is a urethane-based viscoelastic material. The fourth layer of this helmet is not necessary; it is included to accommodate the size and weight of the existing helmet, and because comfort foam is important to helmet wearers. In fact, the MITIGATIUM™ helmet design can be made significantly thinner and lighter than your existing helmet. The selection of designs of equal mass normalizes the response, since the effectiveness of the shield in reducing moment transfer is dependent on mass. The helmet models were subjected to an oblique impact pressure load of the form and duration shown in FIG. 6C. The maximum pressure and the impulse transmitted to the skull were determined. Linear and rotational accelerations were examined throughout the brain region and peak values were recorded for comparison. The results are shown in Table 3 and in FIGS. 7A-7C. As the table shows, the selection of the outer layer affects the pressure, impulse and duration of impact that the helmet receives at a given impact load. The last two columns compare the pressure and impulse transmitted to the skull by the two helmet designs, normalized by the values transmitted by the existing helmet design. The MITIGATIUM™ helmet transmits less than 1% of the pressure and 31% of the impulse that the current helmet transmits. It is important to consider that only in this type of geometry -in which there is interaction between the head and the helmet- can all the effects of impulse transmission be considered. Ultimately, validation should be done with this type of geometry, rather than considering pulses transmitted to a massive rigid plate.

Las FIGS. 7A-7C muestran los historiales de presión máxima, aceleración traslacional y aceleración rotacional dentro del cerebro en ambos diseños de cascos. Los valores máximos se producen en diferentes nodos para las diversas cantidades registradas, y para diferentes nodos en cada casco, pero en todos los casos, se buscó la mayor magnitud dentro de toda la región del cerebro y eso es lo que se registra para la comparación. En la figura se aprecian claramente las importantes reducciones de la presión máxima y de las aceleraciones del casco MITIGATIUM™. También es evidente en las FIGS. 7A-7C que en el casco no amortiguado existente, un evento de carga de un solo impacto resulta en múltiples eventos de aceleración máxima. FIGS. 7A-7C show the peak pressure, translational acceleration, and rotational acceleration histories within the brain in both helmet designs. The maximum values occur at different nodes for the various quantities recorded, and for different nodes in each hull, but in all cases, the largest magnitude within the entire brain region was sought and that is what is recorded for comparison. . The figure clearly shows the significant reductions in maximum pressure and accelerations of the MITIGATIUM™ helmet. It is also evident in FIGS. 7A-7C than in the existing undamped hull, a single impact load event results in multiple peak acceleration events.

Tabla 3: Presión transmitida, impulso transmitido, y duración de transmisión para un diseño de casco existente vs. el diseño de MITIGATIUM™Table 3: Transmitted pressure, transmitted impulse, and transmitted duration for an existing hull design vs. the MITIGATIUM™ design

La descripción anterior de las realizaciones se ha proporcionado con fines ilustrativos y descriptivos. No pretende ser exhaustivo ni limitar la divulgación. Los elementos o características individuales de una realización particular no se limitan generalmente a esa realización particular, sino que, en su caso, son intercambiables y pueden utilizarse en una realización seleccionada, incluso si no se muestran o describen específicamente. También se puede variar de muchas maneras. Dichas variaciones no deben considerarse como una desviación de la divulgación, y se pretende incluir todas las dichas modificaciones dentro del ámbito de la divulgación. The foregoing description of the embodiments has been provided for purposes of illustration and description. It is not intended to be exhaustive or to limit disclosure. Individual elements or features of a particular embodiment are not generally limited to that particular embodiment, but, where appropriate, are interchangeable and may be used in a selected embodiment, even if not specifically shown or described. It can also be varied in many ways. Such variations should not be considered a departure from the disclosure, and all such modifications are intended to be included within the scope of the disclosure.

Claims (11)

REIVINDICACIONES 1. Un sistema de ajuste y mitigación para mitigar un evento de explosión o impacto, comprendiendo dicho sistema de ajuste y mitigación:1. An adjustment and mitigation system to mitigate an explosion or impact event, said adjustment and mitigation system comprising: un conjunto de capa de ajuste (12) que comprende una capa elástica y que tiene una primera impedancia acústica; ya fit layer assembly (12) comprising an elastic layer and having a first acoustic impedance; Y un conjunto de capa disipadora (14) que comprende una capa disipadora fabricada con un material viscoelástico que tiene una frecuencia crítica de amortiguación y que tiene una segunda impedancia acústica inferior a la primera impedancia acústica, siendo dicha capa disipadora (14) próxima a dicha capa elástica, a dissipative layer assembly (14) comprising a dissipative layer made of a viscoelastic material having a critical damping frequency and having a second acoustic impedance lower than the first acoustic impedance, said dissipative layer (14) being close to said layer elastic, en el que la capa elástica y la capa disipadora están configuradas colectivamente para ajustar las ondas de tensión resultantes de la explosión o el impacto a una o más frecuencias ajustadas específicas que coinciden con la frecuencia de amortiguación crítica de la capa disipadora, la capa disipadora ajustando con la capa elástica y vibrando con la capa elástica como un sistema masa-resorte.wherein the elastic layer and the dissipative layer are collectively configured to adjust the stress waves resulting from the explosion or impact to one or more specific adjusted frequencies that coincide with the critical damping frequency of the dissipative layer, the dissipative layer adjusting with the elastic layer and vibrating with the elastic layer as a spring-mass system. 2. El sistema de ajuste y mitigación de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el conjunto de capas de ajuste (12) comprende dos o más capas individuales.2. The adjustment and mitigation system according to claim 1, wherein the adjustment layer assembly (12) comprises two or more individual layers. 3. El sistema de ajuste y mitigación de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el conjunto de capas disipadoras (14) comprende dos o más capas individuales.3. The adjustment and mitigation system according to claim 1, wherein the set of dissipative layers (14) comprises two or more individual layers. 4. El sistema de ajuste y mitigación de acuerdo con la reivindicación 3, en el que una primera de las dos o más capas individuales del conjunto de capas disipadoras (14) está configurada para disipar una primera de dichas frecuencias específicas ajustadas y una segunda de las dos o más capas individuales del conjunto de capas disipadoras (14) está configurada para disipar una segunda de dichas frecuencias específicas ajustadas, siendo dicha segunda frecuencia específica ajustada diferente de dicha primera frecuencia específica ajustada.4. The adjustment and mitigation system according to claim 3, wherein a first of the two or more individual layers of the set of dissipative layers (14) is configured to dissipate a first of said adjusted specific frequencies and a second of the two or more individual layers of the set of dissipating layers (14) are configured to dissipate a second of said adjusted specific frequencies, said second adjusted specific frequency being different from said first adjusted specific frequency. 5. El sistema de ajuste y mitigación de acuerdo con la reivindicación 3, en el que una primera de las dos o más capas individuales del conjunto de capas disipadoras (14) está configurada para disipar una primera de dichas frecuencias específicas ajustadas y una segunda de las dos o más capas individuales del conjunto de capas disipadoras (14) está configurada para disipar una segunda de dichas frecuencias específicas ajustadas, siendo dicha segunda frecuencia específica ajustada la misma que dicha primera frecuencia específica ajustada.5. The adjustment and mitigation system according to claim 3, wherein a first of the two or more individual layers of the set of dissipative layers (14) is configured to dissipate a first of said adjusted specific frequencies and a second of the two or more individual layers of the set of dissipating layers (14) are configured to dissipate a second of said adjusted specific frequencies, said second adjusted specific frequency being the same as said first adjusted specific frequency. 6. El sistema de ajuste y mitigación de acuerdo con la reivindicación 1, en el que las propiedades de dicho conjunto de capa de ajuste (12) están configuradas para ajustar las ondas de tensión resultantes de la explosión o el impacto a dicha frecuencia ajustada específica utilizando parámetros de material.The adjustment and mitigation system according to claim 1, wherein the properties of said adjustment layer assembly (12) are configured to adjust stress waves resulting from the blast or impact to said specific adjusted frequency using material parameters. 7. El sistema de ajuste y mitigación de acuerdo con la reivindicación 6, en el que dichas propiedades se configuran del grupo que consiste en el espesor, el tipo de material y el tipo de unión.7. The adjustment and mitigation system according to claim 6, wherein said properties are configured from the group consisting of thickness, type of material and type of joint. 8. El sistema de ajuste y mitigación de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho conjunto de capa de ajuste (12) está configurado para permitir el paso de dicha frecuencia ajustada específica a dicha capa disipadora (14), por lo que dicha frecuencia ajustada específica se disipa en dicho conjunto de capa disipadora (14).The tuning and mitigation system according to claim 1, wherein said tuning layer assembly (12) is configured to allow said specific tuned frequency to pass to said dissipating layer (14), whereby said specific set frequency is dissipated in said dissipating layer assembly (14). 9. El sistema de ajuste y mitigación de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho conjunto de capa de ajuste (12) está configurado para permitir el paso de dicha frecuencia ajustada específica a dicho conjunto de capa disipadora (14), por lo que dicha frecuencia ajustada específica se disipa de manera viscoelástica en dicho conjunto de capa disipadora.The tuning and mitigation system according to claim 1, wherein said tuning layer assembly (12) is configured to allow said specific tuned frequency to pass to said dissipating layer assembly (14), thereby that said specific tuned frequency is viscoelastically dissipated in said dissipative layer assembly. 10. El sistema de ajuste y mitigación de acuerdo con la reivindicación 1, en el que un espesor de dicho conjunto de capa disipadora (14) es suficiente para que la presencia de una onda de tensión de dicha frecuencia específica ajustada decaiga sustancialmente antes del paso de dicha onda de tensión a través de dicho conjunto de capa disipadora (14).The adjustment and mitigation system according to claim 1, wherein a thickness of said dissipative layer assembly (14) is sufficient that the presence of a voltage wave of said adjusted specific frequency decays substantially before passing of said voltage wave through said dissipative layer assembly (14). 11. El sistema de ajuste y mitigación de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho conjunto de capa de ajuste (12) está unido a dicho conjunto de capa disipadora (14). The adjustment and mitigation system according to claim 1, wherein said adjustment layer assembly (12) is attached to said dissipative layer assembly (14).