一种仿石鳖微结构的吸能缓冲层和护甲装置及制备方法

1.本发明属于头盔技术领域，特别涉及一种仿石鳖微结构的吸能缓冲层和护甲装置及制备方法。


背景技术：

2.头盔通常由外壳、缓冲层、内衬、护镜、帽带、护颚构成，缓冲层在保护佩戴者头部安全时有至关重要的作用，外来的冲击力经过缓冲层后大部分被消减，可以减少对头部的伤害。缓冲层主要由能吸收碰撞能量、无毒、无害、吸汗、透气的泡沫材料制成，发泡聚苯乙烯eps、发泡聚丙烯epp和热塑性聚氨酯tpu材料等。但单纯的泡沫材料所制成的缓冲层虽然抗震吸能效果较好，但强度较低较容易破坏，所以缓冲层的另外一种设计思路是利用强度较高的材料制成多孔结构，如点阵晶格结构，利用3d打印技术进行制造，在保证轻质的同时还能实现较好的强度和刚度。虽然多孔结构缓冲层的设计层出不穷，但大多仍停留在利用点阵结构进行单纯的堆积填充上，在点阵结构的基础上进行再设计，对吸能效果的提升有限。


技术实现要素：

3.针对上述技术问题，本发明提供了一种仿石鳖微结构的吸能缓冲层和护甲装置及制备方法，其能够起到有效的吸能缓冲作用。
4.一种仿石鳖微结构的吸能缓冲层，包括仿石鳖吸能鳞片层和卡座基板；
5.所述仿石鳖吸能鳞片层设置在卡座基板的外层；所述仿石鳖吸能鳞片层包括多排吸能鳞片，多排吸能鳞片分布在卡座基板上；所述吸能鳞片为中空的立体钩状，遇到压力时后一个吸能鳞片的顶部钩状会挤压前面的吸能鳞片的背部。
6.上述方案中，多排吸能鳞片在卡座基板上交错分布。
7.上述方案中，所述卡座基板为镂空结构，所述卡座基板设有多排凹槽，多排吸能鳞片分布在卡座基板的凹槽上。
8.上述方案中，所述吸能鳞片沿着中心线的每个法向截面均为圆角菱形，圆角菱形的特征尺寸为周长l；所述卡座基板上的凹槽也为圆角菱形；吸能鳞片的圆角菱形底部安装在凹槽内。
9.上述方案中，所述吸能鳞片的底部圆角菱形的边长为a，四个角中两个小于90
°
的夹角为α，另外两个相对的夹角为β，β＝180
°‑
α，夹角β的圆角半径为r＝asin(α/2)cosα/2，夹角α的圆角半径为r＝r/6。
10.上述方案中，所述吸能鳞片的中心线m满足以下方程：在y-z坐标系中，
11.y＝k1(z-0.07h)
2-m1，0≤z＜0.14h，
12.y＝-k2[z-0.375h]2+m2，0.14h≤z＜0.61h，
[0013]
45
°
＜φ＜90
°
，0.61h≤z≤h
[0014]
其中h为中心线上的所有点的最大z坐标，k1、k2以及m1、m2、m3和m4都是正实数，满足：5/h≤k1≤8/h、0.1/h≤k2≤0.2/h、0.015h≤m1≤0.03h、0.015h≤m2≤0.03h、
[0015]
所述吸能鳞片的菱形截面周长l的变化规律满足：在y-z坐标系中，
[0016]
l＝k3z+l0，0≤z＜0.14h，
[0017]
l＝0.14k3h+l0，0.14h≤z＜0.61h，
[0018]
l＝-k4(z-0.61h)+0.14k3h+l0，0.61h≤z≤h
[0019]
l0是鳞片底部菱形的周长，k3、k4是正实数，满足：csc(α/2)≤k3≤1.5ccs(α/2)、3csc(α/2)≤k4≤4csc(α/2)。
[0020]
一种护甲装置，包括所述的仿石鳖微结构的吸能缓冲层。
[0021]
上述方案中，所述护甲装置为头盔，包括所述仿石鳖微结构的吸能缓冲层、弹性衬垫、固定柱和头盔外壳；
[0022]
所述仿石鳖微结构的吸能缓冲层位于头盔外壳内，仿石鳖吸能鳞片层贴在头盔外壳内壁，所述弹性衬垫设置在卡座基板的内层；所述固定柱的一端与头盔外壳连接，固定柱的另一端穿过仿石鳖吸能鳞片层和卡座基板连接。
[0023]
上述方案中，所述吸能鳞片、卡座基板、弹性衬垫和固定柱的强度和模量大小规律为：吸能鳞片》卡座基板》固定柱》弹性衬垫。
[0024]
一种根据所述的仿石鳖微结构的吸能缓冲层的制备方法，包括以下步骤：利用多材料同时打印的polyjet3d打印技术制备仿石鳖微结构的吸能缓冲层。
[0025]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：仿石鳖微结构的吸能鳞片能够有效分散冲击力；立体钩状的吸能鳞片在卡座基板上的致密分布能够最大程度地吸收冲击能量，降低冲击伤害；多材料同时打印的polyjet3d打印技术制造的仿石鳖微结构的吸能缓冲层可以有效发挥缓冲吸能作用。
附图说明
[0026]
为了更好地理解实施例及其优点，现在将结合附图所进行的以下描述作为参考，其中：
[0027]
图1为本发明一实施例方式的头盔结构示意图；
[0028]
图2为本发明一实施例方式的仿石鳖吸能鳞片层、卡座基板、弹性衬垫、固定柱组装局部结构示意图；
[0029]
图3为本发明一实施例方式的仿石鳖吸能鳞片层结构示意图；
[0030]
图4为本发明一实施例方式的卡座基板结构示意图；
[0031]
图5为本发明一实施例方式的弹性衬垫结构示意图；
[0032]
图6为本发明一实施例方式的单个吸能鳞片的结构示意图；
[0033]
图7为本发明一实施例方式的圆角菱形示意图；
[0034]
图8为本发明一实施例方式的吸能鳞片三视图，其中，图8(a)为吸能鳞片的正视图，图8(b)为吸能鳞片的俯视图，图8(c)为吸能鳞片的侧视图。
[0035]
图中，1、仿石鳖吸能鳞片层；2、卡座基板；3、弹性衬垫；4、固定柱；5、头盔外壳。
具体实施方式
[0036]
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0037]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0038]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0039]
实施例1
[0040]
如图1-5所示，一种仿石鳖微结构的吸能缓冲层，包括仿石鳖吸能鳞片层1和卡座基板2。
[0041]
所述仿石鳖吸能鳞片层1设置在卡座基板2的外层；所述仿石鳖吸能鳞片层1包括多排吸能鳞片，所述卡座基板2设有多排凹槽，多排吸能鳞片分布在卡座基板2的凹槽上；所述吸能鳞片为中空的立体钩状，遇到压力时后一个吸能鳞片的顶部钩状会挤压前面的吸能鳞片的背部。
[0042]
如图2、3、4所示，根据本实施例，优选的，根据本实施例，优选的，多排吸能鳞片在卡座基板2上交错分布，形成密布的仿石鳖吸能鳞片层1。交错分布的形式是：鳞片的底部圆角菱形排与排之间插空。所述卡座基板2为镂空结构，凹槽底部为通孔，可以使得钩状鳞片的底部在卡座基板2上嵌入固定。
[0043]
单个吸能鳞片的结构形貌如图6、7、8所示，吸能鳞片是中空的钩形壳，所述吸能鳞片沿着中心线的每个法向截面均为圆角菱形，圆角菱形的特征尺寸为周长l，周长l随着中心点位置的变化而有规律地变化；图8(a)为吸能鳞片的正视图，图8(b)为吸能鳞片的俯视图，图8(c)为吸能鳞片的侧视图，所述卡座基板2上的凹槽也为圆角菱形；吸能鳞片的底部圆角菱形安装在凹槽内。
[0044]
根据本实施例，优选的，所述吸能鳞片的底部圆角菱形的边长为a，四个角中两个相对小的夹角为α，α《90
°
，另外两个相对大的夹角β为180
°‑
α，角β的圆角半径为r＝asin(α/2)cosα/2，角α的圆角半径为r＝r/6。
[0045]
根据本实施例，优选的，所述吸能鳞片的中心线m满足以下方程：在y-z坐标系中，
[0046]
0≤z＜0.14h，
[0047]
0.14h≤z＜0.61h，
[0048]
45
°
＜φ＜90
°
，0.61h≤z≤h
[0049]
其中h为中心线m上的所有点的最大z坐标。
[0050]
根据本实施例，优选的，所述吸能鳞片的菱形截面周长l的变化规律满足：在如图8(c)所示的y-z坐标系中，
[0051]
0≤z＜0.14h，
[0052]
0.14h≤z＜0.61h，
[0053]
0.61h≤z≤h
[0054]
l0是鳞片底部菱形的特征尺寸，l0＝4a。
[0055]
实施例2
[0056]
一种护甲装置，包括实施例1所述的仿石鳖微结构的吸能缓冲层，因此具有实施例1的有益效果，此处不再赘述。
[0057]
实施例3
[0058]
实施例2所述护甲装置为头盔，包括所述的仿石鳖微结构的吸能缓冲层，以及弹性衬垫3、固定柱4和头盔外壳5；所述仿石鳖微结构的吸能缓冲层位于头盔外壳5内，仿石鳖吸能鳞片层1贴在头盔外壳5内壁，所述弹性衬垫3紧密贴合在卡座基板2的内层，如图5所示，弹性衬垫3可以在缓冲层破碎时隔离碎片和头部，避免二次伤害；所述固定柱4的一端与头盔外壳5连接，固定柱4的另一端穿过仿石鳖吸能鳞片层1和卡座基板2连接，多个固定柱4使头盔外壳5与卡座基板2连接，将仿石鳖吸能鳞片层1固定在头盔外壳5的内部，构造出稳定的缓冲层放置空间。该头盔能够起到有效的吸能缓冲作用，可以在外物侵彻时缓冲保护使用者的头部。
[0059]
实施例4
[0060]
一种根据实施例1、2或3所述的仿石鳖微结构的吸能缓冲层的制备方法，利用多材料同时打印的polyjet3d打印技术制备仿石鳖微结构的吸能缓冲层，制造各部件的树脂材料所述吸能鳞片、卡座基板2、弹性衬垫3和固定柱4的强度和模量大小规律为：吸能鳞片》卡座基板2》固定柱4》弹性衬垫3，可以有效发挥仿石鳖微结构的吸能缓冲层的缓冲吸能作用。
[0061]
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
[0062]
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。