一种适用于夏冬两季多场景下的负泊松比滑雪运动护具

1.此发明涉及运动保护器械技术领域，具体涉及一种适用于夏冬两季多场景下的负泊松比滑雪运动护具。


背景技术：

2.旱雪是典型具有超弹性力学行为的连续介质材料，较粉末状真雪更易导致运动员受伤。目前国外已有诸多高端滑雪护具制造商，其护具防护垫多采用d3o和“发泡胶+高密度吸震海绵”等高性能吸能缓冲材料。尽管上述国外高端护具在真雪环境下具有较高的安全性与舒适性，但由于缺少结构层次的变刚度构型设计，导致其在旱雪环境下的防护性仍显不足。国内雪上运动护具更是主要围绕低端产品的外观设计，尚未形成高端产品产业链，防护性能与国外高端护具差距明显。在此应用背景下，本发明提出一种适用于夏冬两季多场景下滑雪运动所需要的具有负泊松比性能的多层级滑雪护具。


技术实现要素：

3.本发明主要是面向旱雪环境提出了一种适用于夏冬两季多场景下的更轻质、更具有防护性的多层级滑雪运动护具。
4.本发明的技术方案如下：
5.一种适用于夏冬两季多场景下的负泊松比滑雪运动护具，包括缓冲层3层，内层为eva材料，中层为以聚氨酯为原料的3d打印负泊松比层，外层为d3o 复合材料层。
6.所述的d3o复合材料由a(d3o材料)、b(聚氨酯泡沫)两组分所制备，并通过dma(动态力学分析测试)对材料性能进行对比验证。
7.所述的负泊松比层采用单胞结构组合，所述的单胞结构为十字交叉的内“工”字型，且单胞的整体尺寸不大于6mm
×
6mm
×
6mm。
8.负泊松比层与d3o层进行缝合，缓冲层由凯夫拉纤维布料进行包裹，靠近人体的一侧布有防滑条，并通过可调节绷带与人体关节固定。
9.所述的护具外层包裹的凯夫拉纤维拥有高强度、高耐磨、高抗撕裂性。
10.一种适用于夏冬两季多场景下的负泊松比滑雪运动护具的制备方法，步骤如下：
11.步骤1：确定多层级护具缓冲层的层数为3层、各层级材料由外到内分别为 d3o复合材料、具有负泊松比性能的聚氨酯材料、eva材料。
12.步骤2：d3o复合材料由a(d3o材料)、b(聚氨酯泡沫)两组分所制备，并通过dma(动态力学分析测试)对材料性能进行对比验证。
13.步骤3：对聚氨酯材料进行材料标准拉伸实验测试得到弹性常数和泊松比。
14.步骤4：考虑加工技术设计负泊松比层单胞结构并基于商业有限元分析软件建立力学模型，对负泊松比层单胞尺寸进行参数化，并建立面向材料特性、宏观结构设计的优化模型，对结构件进行优化设计。
15.步骤5：结合成型工艺修改优化的构件构型，利用3d打印技术打印护具的聚氨酯负
泊松比层，将负泊松比层与d3o层进行缝合。
16.步骤6：对护具缓冲层进行落锤冲击试验，验证护具的抗冲击性和吸能效果。
17.步骤7：缓冲层由凯夫拉纤维布料进行包裹，靠近人体的一侧布有防滑条，并通过可调节绷带与人体关节固定。
18.优选的，本护具的缓冲层为3层，内层为eva材料，中层为以聚氨酯为原料的3d打印负泊松比层，外层为d3o复合材料层。
19.优选的，设计了3种具有负泊松比效应的单胞结构，如图3(a)所示，方案1在工艺上单胞及腔体尺寸较小，溶液无法完全清理，腔体难以成形；方案2 腔体较大易成形，方便后期加工制造，并具有负泊松比效应；方案3有良好的负泊松比效应，但腔体尺寸较小，不易加工。所以本护具的单胞结构为方案2 所示的十字交叉的内“工”字型，且单胞的整体尺寸不大于6mm
×
6mm
×
6mm。
20.优选的，自动化建模分析和结果提取是基于商业有限元软件二次开发结构件的参数化程序，且优化模型可以根据工程实际工况中的载荷条件进行设计，优化目标和约束包括结构件的强度、刚度及质量。
21.优选的，本护具的负泊松比层是以聚氨酯为原料，考虑单胞加工的难易程度并基于3d打印技术制备而成的，使单胞结构的腔体在保证负泊松比特性的前提下更易成型。
22.优选的，落锤冲击实验是将5.5kg的落锤置于0.45m高处，做自由落体实验验证冲击吸能效果的。
23.与现有护具相比，本发明具有以下优点：
24.本发明公开了一种适用于夏冬两季多场景下滑雪运动所需要的具有负泊松比性能的多层级滑雪护具，打破传统护具规范，在护具的缓冲层加入负泊松比结构，提高了护具的吸能性，并在为护具的轻量化做出了一定的贡献；护具缓冲层外层采用d3o复合材料，在高吸能性的基础上又增强了护具的抗冲击性；外层包裹材料采用具有高强度、高耐磨性的凯夫拉纤维针；对具体工况建立优化模型，实现材料和结构件外形的优化设计，对复合材料结构件外形进行全体尺寸参数化，极大的提高了轻量化设计的自由度；采用落锤冲击试验模拟运动员发生意外时的冲击载荷，验证护具的抗冲击性、吸能性、安全性。本发明为滑雪运动及其他极限运动领域提供了一种高抗冲击性、高吸能性的多层级运动护具，且比现有护具更为轻质，在相当大的程度上保证了运动员的安全性。
附图说明
25.图1为护膝、护肘整体分层示意图；
26.图2为聚氨酯材料标准拉伸曲线；
27.图3(a)为护具负泊松比层单胞结构设计方案示意图；
28.图3(b)为护具负泊松比整体结构示意图；
29.图4为护具优化框架示意图。
具体实施方式
30.为充分了解本发明的目的、特征及可以达到的效果，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
31.1)如图1，本护具主要包含缓冲层(负泊松比结构层、d3o层)，负泊松比结构层具有高吸能性，位于接近人体关节一侧，d3o层有较强的抗冲击性能，位于负泊松比结构层外层，两层结构之间通过缝制连接，外层包裹材料为凯夫拉布料，靠近人体关节一侧附有防滑条，防止在运动过程中护具发生滑动，达不到保护效果，远离人体关节一侧有调节绷带，可适用于不同年龄段、不同性别的运动员。
32.2)将添加20％pfu(聚氨酯泡沫)的d3o材料与纯聚氨酯材料进行dma (动态力学分析)测试，其储能模量和损耗模量均有大幅提升，高频下均提升 50％以上，说明在高速冲击下，复合材料具有更强的能量吸收、减震效果，具体参数如下表所示。
33.表1 pfu d3o复合材料dma测试
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3)进行标准拉伸实验进行材料基本力学性能测试得到弹性常数和泊松比，如图2为聚氨酯材料的标准拉伸曲线，可得聚氨酯的拉伸弹性模量5.00mpa，泊松比为0.33。d3o材料由于其特性，在不同应变率下其力学性能均有所不同。
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4)建立护具负泊松比结构层的有限元模型，负泊松比结构层的材料为聚氨酯。
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5)基于商业有限元软件二次开发结构件的参数化分析程序，对负泊松比机构单胞外形尺寸进行参数化，并对整体结构进行单轴静力压缩，观察其负泊松比效应及应力-应变变化特征。
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6)针对所设计的单胞结构，以负泊松比材料单胞厚度(2～6mm)为设计变量，在规定的冲击作用下对人体保护部位的作用力峰值不超过安全作用力为约束条件，在高吸能性的前提下开展负泊松比材料厚度最小的优化设计。优化框图如图4所示。
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7)结合成型工艺修改优化的构件构型如图3，最后制备结构件。
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8)进行落锤冲击实验，落锤质量5.5kg，落锤高度为0.45m，并与市场上现有一些护具缓冲层进行对比，本发明的缓冲层所受到的峰值冲击力最小，且缓冲层没有发生破坏，实验结果如下表所示。
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表2落锤冲击实验
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