一种具有鞘翅仿生结构的高强度头盔

1.本发明涉及一种具有特殊结构的头盔，特别涉及一种基于铁定甲虫的鞘翅切片结构，因而具有特殊力学性能的仿生头盔。


背景技术：

2.头盔是保护头部的重要装具，是降低交通事故对人身造成致命伤害的防护装备之一，在各类体育运动中它亦被广泛采用。由于从事活动类型不同，头盔结构、式样和使用要求也会具有差异。但头盔主要仍由衬里、悬挂和外壳装置三部分组成。衬里和悬挂起到支撑、吸汗、保暖和减震功能。而壳体是头盔最重要的组成部分，它通常由强度较高的金属、工程塑料或凯芙拉纤维制成，在受到冲击载荷时能够依靠形变来吸收大部分动能，从而保护头部免受伤害。
3.经过调研发现，目前市售且具有3c安全认证的安全头盔普遍在数百元左右，普通没有经过认证的头盔价格集中在50至200元之间。考虑到价格因素，大部分消费者会倾向于购买价格低廉、不符合安全标准的头盔。另外，即使佩戴安全认证的头盔，在交通事故中仍难免受到重大甚至致命伤害。根据2020年交通部公布的交通事故数据，非机动车事故造成人员死亡率约15％，摩托车事故造成驾驶员死亡率高达23％。在这其中，80％的死亡都是由头部损伤引起。面对如此高的头部伤害致死率，设计新型的头盔结构，进一步提升安全头盔的力学性能，同时降低头盔的生产成本，是促使高性能安全头盔广泛应用、降低人员在交通事故中死亡率的必要条件。
4.铁定甲虫是一种陆生甲虫，身长约2厘米，具有异常坚硬的外骨骼，可以承受大约3.9万倍其体重的重量，即使被汽车碾过都可以“毫发无损”。究其原因，是因为其鞘翅处有一连串的形似拼图的连锁结构，这些关节的几何结构使其具有出色的机械连锁和坚韧性。并且由于其中部镂空的结构，使其比传统的实心梁结构具有价格更低、力学性能更佳的特点。因此，此类结构的低成本和高强度特征，可应用于安全头盔结构设计上。通过将本结构运用于头盔的承重梁部分，有望兼顾头盔的成本、舒适性以及头盔的抗冲击强度。有利于头盔在人们日常生活中的应用与推广。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了实现上述设计及性能，而提出的一种具有鞘翅仿生结构的高强度头盔。
6.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术：
7.包括一个壳体，一个内衬和一个调整带，所述壳体与内衬和调整带通过热熔胶粘连在一起，其特征在于，还包括：
8.壳体主体，所述壳体主体上存在仿照铁定甲虫鞘翅处切片结构的孔洞。
9.壳体梁，所述壳体梁由三部分拼接在一起，整体插入壳体主体中。
10.可选地，所述壳体在内衬和调整带外部，包住内衬和调整带。
11.可选地，所述内衬和调整带为一体，且为柔性材料制成，其上方设置有通孔。其与壳体中间存在空隙，由具有通孔的防震材料填充，且均由热熔胶粘连在一起。
12.可选地，所述通孔为类矩形通孔。
13.所述孔洞按一定规律分布在壳体主体上，所述拼接后的梁通过孔洞插入壳体主体，通过摩擦力固定在壳体主体上。
14.可选地，所述梁由三部分组成，连接部分为仿照的铁定甲虫鞘翅切片处的拼图结构，三部分拼接后的整体梁的切面形状为仿照的铁定甲虫的鞘翅处的切片形状。
15.与现有技术相比，本发明具备以下优点:
16.本发明由头盔的主体结构入手，改造头盔本身结构，利用自然界存在的铁定甲虫鞘翅处拼图形状的结构，进行仿生设计，操作方便，成本更低，同时还能保证强度，兼顾头盔的成本、舒适性以及头盔的抗冲击强度。有利于头盔在人们日常生活中的应用与推广。
附图说明
17.图1为本发明具有鞘翅仿生结构的高强度头盔的整体结构示意图；
18.图2为本发明梁的结构示意图；
19.图3为本发明梁的三部分结构示意图；
20.图4为梁的三部分拼接示意图；
21.图5为本发明的壳体主体；
22.图6为本发明的壳体；
23.图7为本发明所仿照的铁定甲虫的切片结构示意图；
24.图8为本发明仿生结构与常规结构的力学性能对比曲线；
25.图9为本发明的虚拟仿真示意图；
26.图10为本发明与常规头盔的实验结果图；
27.图中所示：头盔壳体1、头盔内衬2、头盔调整带3、头盔壳体主体4、头盔壳体梁5及头盔壳体梁的三部分：下6，上左7，上右8。
具体实施方式
28.下面结合附图对本发明的具体实施措施方式做进一步说明。
29.参阅图1-10所示，本发明提供的一种具有鞘翅仿生结构的头盔的设计方法，针对铁定甲虫外壳闭锁型切片结构展开系统研究，本发明对其进行原理分析和结构设计，总体工作按照理论分析—模型设计—性能测试—结构确立—头盔制作的过程进行。
30.参阅图1-7，本发明包括头盔壳体1、头盔内衬2和头盔调整带3，头盔壳体1又包括头盔壳体主体4和头盔主体梁5。头盔壳体主体4上开设有仿生结构截面形状的孔，头盔主体梁5由下6，上左7和上右8拼接而成。
31.参阅图2-6，将头盔主体梁5通过头盔壳体主体4上开设的仿生结构截面形状的孔插入进去得到头盔壳体1。
32.参阅图7-8，将铁定甲虫鞘翅的切片结构利用comsol仿真软件进行仿真模拟，研究其特有的拼图结构与其结构坚固性的关系，研究其力学性能，得出力学性能曲线图和应力集中图，寻找集中点，验证其可行性。同时与常规空心结构如圆形和矩形进行对比，得出对
比曲线。
33.参阅图7，将铁定甲虫鞘翅的切片结构进行建模，保证面积相同的情况下，对该切片结构和其他常规空心结构(如矩形，圆形等)以及实心结构进行建模，利用3d打印技术制造出切片结构实物。
34.参阅图8，采用拉力仪、万能试验机等设备进行力学性能测试，修改模型参数，得出力学性能曲线，验证该种仿生结构的稳定性与坚韧性。
35.将仿真实验结果与实物受力实验结果对比，得出结论：该仿生结构用于头盔上，会获得更高的强度和更低的成本。
36.参阅图2-6，将受力梁5分布在受力区而避开非受力区，利用该仿生结构，将梁5做成空心，在保证安全性和坚固性的同时大大减少用料，并减少头盔的重量，使其变得轻盈。避开的非受力区处作为透气孔，保证了头盔的透气性。
37.采用参数化设计方法，分析头盔内胆形状与人脑形状的适配关系，通过建立人体脑部的三维模型，开展对头盔舒适性和美观性的研究。分析头盔内胆形状与人脑形状的适配关系，通过建立人体脑部的三维模型，以及现代美学知识优化头盔外观，完成产品设计并进行加工制造得到头盔成品。
38.参阅图2-6，基于上述结构，利用solidworks软件进行三维建模并装配，利用3d打印技术打印出这种具有仿生结构的头盔，用同样的方法建立并打印实心梁头盔并进行对比，验证该仿生结构头盔在坚固性和轻便性上的优越性。再次测试头盔力学性能进行最终参数修改。
39.按照参数要求运用现代机械制造工艺制作头盔零件并进行组装。
40.参阅图1，将头盔壳体梁5三部分下6，上左7，上右8拼接成整体梁5，将头盔壳体梁5插入头盔壳体主体4得到头盔壳体1，然后将具有通孔的防震材料利用热熔胶粘连在头盔壳体1上，再将头盔内衬2和头盔调整带3整体粘连在防震材料上；最终形成具有鞘翅仿生结构的高强度头盔。
41.采用本实施例制备的具有鞘翅仿生结构的头盔，与常规头盔的受力实验结果如图10所示。

技术特征：
1.一种具有鞘翅仿生结构的高强度头盔，包括一个头盔壳体(1)，一个头盔内衬(2)和一个头盔调整带(3)，所述头盔壳体(1)与头盔内衬(2)和头盔调整带(3)通过热熔胶粘连在一起，其特征在于，还包括：头盔壳体主体(4)，所述头盔壳体主体(4)上存在仿照铁定甲虫鞘翅处切片结构的孔洞；头盔壳体梁(5)，所述头盔壳体梁(5)由三部分：下(6)，上左(7)，上右(8)拼接在一起，整体插入头盔壳体主体(4)中。2.根据权利要求1所述的一种具有鞘翅仿生结构的高强度头盔，其特征在于：头盔壳体(1)还包括具有铁定甲虫身体结构的头盔壳体梁(5)；所述头盔壳体梁(5)由三部分组成，连接部分为仿照的铁定甲虫鞘翅切片处的拼图结构，三部分：下(6)，上左(7)，上右(8)拼接后的整体头盔壳体梁(5)的切面形状为仿照的铁定甲虫的鞘翅处的切片形状。3.根据权利要求1所述的一种具有鞘翅仿生结构的高强度头盔，其特征在于：所述头盔内衬(2)和头盔调整带(3)为一体，且为柔性材料制成，其上方设置有通孔；其与头盔壳体(1)中间存在空隙，由具有通孔的防震材料填充，且均由热熔胶粘连在一起。4.根据权利要求2所述的一种具有鞘翅仿生结构的高强度头盔，其特征在于：所述头盔梁(5)为空心梁，所述通孔为类矩形通孔。

技术总结
本发明涉及一种具有鞘翅仿生结构的高强度头盔，该结构采用了仿生的办法，仿照铁定甲虫在鞘翅处独有的一连串形似拼图的连锁结构。这种关节的几何结构使其具有出色的机械连锁和坚韧性。仿照铁定甲虫的该结构，这款头盔在普通头盔的基础上，将头盔的支撑梁改为镂空结构，使得其在不影响承重强度的同时大大减少了用料，减轻了头盔的重量。此外，目前所存在的安全头盔研究，大多都基于材料改进，而且有相当部分的研究没有改进过头盔本体结构。并且新型材料带来的将是价格上的提升，这将导致其难以应用于日常生活中。与现有的头盔研究相比，本发明的优势在于可以兼顾头盔的成本、舒适性以及头盔的抗冲击强度。有利于头盔在人们日常生活中的应用与推广。活中的应用与推广。活中的应用与推广。


技术研发人员：张才进 汤授然 刘瑞喆 刘旻锴 王荣飞
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：2023.04.24
技术公布日：2023/7/7