[发明专利]保护结构及其制作方法

说明书

技术领域

本发明总体上涉及一种冲击能量管理方法和系统。更具 体地，本发明涉及一种设计为用于保护受冲击物体或主体不受冲击造 成的损害并且具有容易定制的特性以在大的冲击能量范围内提供最优 冲击衰减响应的保护结构。

背景技术

A.碰撞物体的物理性质

运动中的物体具有构成其质量(m)和速度(v)的函数 的动能(KE)，动能(KE)用下列方程式表达： KE＝1/2mv²    (1)

当所述物体与其他物体碰撞时，能量发生转移，从而传 递力(F)。所传递的力是两个主要关系的函数。首先，传递到物体的 力(F)等于物体质量(m)乘以其合成加速度(a)，根据牛顿第二定 律，力＝质量×加速度或者F＝ma。加速度(a)测量物体随时间(t)的 速度变化(Δv)(速度变化可以是正的或负的，因此，加速度也可以 是正的或负的量)，因此牛顿定律可以改写为如下型式： F＝m((Δv)/t)    (2)

从这个等式中，显而易见的是，减小传递到具有固定质量 (m)的物体上的力的一种方法是延长物体改变速度所需的时间，从而 降低其加速度。

其次，力(F)是物体能量(E)(采用动能的形式)传 递通过的距离(d)的结果，方程式为： F＝E/d    (3)

从这个方程式中，显而易见的是，减小具有给定量的能 量(E)的冲击物体的力(F)的另一方法是延长物体能量(E)传递通 过的距离(d)。

第三个关系控制所传递的力的作用。压强(P)描述力(F) 在力(F)被传递的面积(A)内的集中度，并且遵循方程式： P＝F/A    (4)

从这个方程式中，显而易见的是，能够通过减小由冲击 物体传递的力(F)或通过增大力(F)被传递的面积(A)来减小冲击 的压强(P)。

考虑到上述三个关系，显而易见的是，减小由冲击物体 造成的损害的方法是通过延长物体加速(或减速)所用的时间(t)或 者延长能量被传递的距离(d)来减小被传递的力(F)的水平、或者 增大力(F)被传播的面积(A)。理想体系应该使用所有三个方法来 减少冲击损害。

力是以牛顿(1N＝1kg-m/s²)或磅(lb)来测量的：质量 是以千克(kg)或质量磅(lb-m)来测量的：而加速度是以米每秒每 秒(m/s²)或英尺每秒每秒(ft/s²)来测量的。通常公知的力是重 量(w)，重量测量作用在物体上的重力。它等于物体质量(m)乘以 9.81m/s²或32ft/s²的重力加速度。当比较作用于相同或相似质量 (m)的物体上的力时，通常以加速度为单位而不是以力为单位来表达 (上面所述F＝ma)。在这些情况下，加速度常常被表达为重力加速度 的倍数或者多个“g”。因此，可以说物体经受“80-g”的力，或者等 于80倍重力的力。通常认为较大的力比较小的力对物体产生更大的损 害。

在两个物体可能碰撞的任何活动中，通常的做法是利用 设计为用于管理碰撞能量并用于使由碰撞造成的对冲击物体的损害最 小化的保护结构或材料。测试这些保护系统有效性的通常方法是将已 知的力(F)传递到保护结构或材料的一侧并且测量通过系统传递给另 一侧的力。这常常通过“落锤试验”(“drop test”)来实现。在这 类试验中，冲击物体自给定高度掉落至固定表面，该固定表面适于记 载由冲击物体传递到其上的力。冲击表面通常是钢板，其下附有“力 环”，该力环能够记载传递给板的力并且将代表力的信号传递给数据 捕集系统，数据捕集系统通常为被编程的计算机。钢板和力环的组合 被称为“测力板”。因此，保护系统的有用的比较涉及将能量管理系 统或材料设置在测力板上、将冲击质量掉落在系统或材料上、并记载 通过系统或材料传递给测力板的作为时间的函数的力。

固定质量的物体掉落的高度越高，其在冲击前得到的速 度就越高，并且其所具有的传递到受冲击表面的动能也就越多。冲击 的随时间变化的力表示为力/时间曲线，诸如附图中的图1所示的曲线。