[發(fā)明專利]一種基于SLS工藝的潰縮式復(fù)合結(jié)構(gòu)頭盔內(nèi)襯及其設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810812164.2
• 申請(qǐng)日: 2018-07-23
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN109063297B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-04-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 曾勇;郭晉;王阜超;陳繼民
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/23
• 分類號(hào): G06F30/23;G06F119/14;G06F113/26
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

本發(fā)明公開(kāi)了一種基于SLS工藝的潰縮式復(fù)合結(jié)構(gòu)頭盔內(nèi)襯及其設(shè)計(jì)方法，可以提高頭盔的抗壓強(qiáng)度，對(duì)頭部進(jìn)行更好的保護(hù)，包括以下步驟：使用三維建模軟件設(shè)計(jì)出不同點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)模型；將不同點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)使用SLS?3D打印技術(shù)制作出來(lái)；通過(guò)力學(xué)測(cè)試和有限元分析得出不同結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能；根據(jù)潰縮式吸能理論優(yōu)化組合出新的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)；制備出滿足潰縮式復(fù)合結(jié)構(gòu)的頭盔內(nèi)襯。本發(fā)明原理簡(jiǎn)單，便于使用，適用于普通受眾群體。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明設(shè)計(jì)一種滿足潰縮式吸能理論的復(fù)合結(jié)構(gòu)頭盔內(nèi)襯。

背景技術(shù)

頭盔的作用是為了減少發(fā)生事故時(shí)頭部因慣性和碰撞受到的傷害。因此，頭盔設(shè)計(jì)的最重要部分就是其內(nèi)部的能量消散部件，也就是頭盔內(nèi)襯。頭盔中使用可變形的特殊結(jié)構(gòu)消散一定比例的沖擊能量，以減輕頭部在自行車事故中所承受的沖擊力，使得騎行事故中頭部和腦部嚴(yán)重受傷風(fēng)險(xiǎn)降低了88％。自從1975年成功的商業(yè)引入頭盔以來(lái)，頭盔的抗撞擊標(biāo)準(zhǔn)全是上世紀(jì)70年代中期由美國(guó)消費(fèi)用品安全委員會(huì)(CPSC)提出的，所以頭盔的設(shè)計(jì)保持了一成不變的結(jié)構(gòu)。BeLL?Biker公司最早研制出了符合美國(guó)消費(fèi)用品安全委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)的頭盔，這種頭盔的內(nèi)襯是采用聚苯乙烯(EPS)泡沫制成的，而EPS泡沫材料在受到高度壓縮碰撞后易粉碎，造成頭盔不能再次使用。在遇到高強(qiáng)碰撞時(shí)，EPS泡沫作為頭盔內(nèi)襯的抗壓強(qiáng)度還是不夠好。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)以上內(nèi)容，有必要設(shè)計(jì)出一種新型的頭盔內(nèi)襯結(jié)構(gòu)，從而提高頭盔內(nèi)襯的抗壓強(qiáng)度，使頭盔的安全性進(jìn)一步提高。

一種基于SLS工藝的潰縮式復(fù)合結(jié)構(gòu)頭盔內(nèi)襯，其特征在于：

材料選用尼龍PA2200材料，控制點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)單元模型的孔隙率為60％以上；選擇內(nèi)側(cè)為極小曲面，外側(cè)為體心立方的復(fù)合模型作為頭盔內(nèi)襯且抗壓強(qiáng)度達(dá)到2.3MPa以上。

本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)基于潰縮式吸能設(shè)計(jì)理論的復(fù)合結(jié)構(gòu)頭盔內(nèi)襯的設(shè)計(jì)，選擇尼龍PA2200材料代替EPP、EPS材料制作頭盔內(nèi)襯，這不僅提高了頭盔內(nèi)襯的抗壓強(qiáng)度，而且可以設(shè)計(jì)內(nèi)部的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)形狀，從而改善頭盔的性能和外觀設(shè)計(jì)。使用三維設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)新型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)新型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)壓縮模擬，再使用有限元分析對(duì)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)模擬，對(duì)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，選取性能最優(yōu)的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)頭盔內(nèi)襯，最后使用SLS(激光選區(qū)燒結(jié))技術(shù)制作出新型頭盔內(nèi)襯。

一種基于SLS工藝的潰縮式復(fù)合結(jié)構(gòu)頭盔內(nèi)襯的設(shè)計(jì)，應(yīng)用如下軟件、材料及設(shè)備，包括三維建模軟件、有限元分析軟件、尼龍PA2200材料、SLS選區(qū)激光燒結(jié)3D打印機(jī)、材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)；

其特征在于，包括如下步驟：

(1)在計(jì)算機(jī)中用三維建模軟件設(shè)計(jì)不同點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)模型,首先建立繪圖坐標(biāo)系，繪制單元中的梁結(jié)構(gòu)的截面，將界面進(jìn)行拉伸，將拉伸后的梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行鏡像和陣列，組成點(diǎn)陣單元結(jié)構(gòu)，在三維空間中陣列點(diǎn)陣單元，最后將這些單元布爾運(yùn)算得到最終結(jié)構(gòu)；

(2)運(yùn)用材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)測(cè)試PA2200材料的標(biāo)準(zhǔn)件來(lái)表征本材料力學(xué)性能，得出其抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到48MPa左右，遠(yuǎn)高于EPS材料0.147MPa的抗壓強(qiáng)度，選用PA2200材料可以滿足頭盔內(nèi)襯設(shè)計(jì)力學(xué)性能要求；

(3)通過(guò)控制點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)單元模型的梁結(jié)構(gòu)粗細(xì)與面結(jié)構(gòu)壁厚，從而改變單元結(jié)構(gòu)體積，進(jìn)而得到可調(diào)節(jié)孔隙率的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，梁結(jié)構(gòu)的粗細(xì)的調(diào)節(jié)是通過(guò)建模時(shí)梁結(jié)構(gòu)截面的半徑，長(zhǎng)短是由拉伸的長(zhǎng)度決定，面壁厚度可在三維建模軟件中通過(guò)調(diào)節(jié)壁厚功能選項(xiàng)中實(shí)現(xiàn)，一般將孔隙率調(diào)整到60％以上可以有效地減輕點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的重量；