ES2904548T3 - Ajuste y mitigación de frecuencia de explosiones/impactos - Google Patents

Abstract

Un sistema de ajuste y mitigación para mitigar un evento de explosión o impacto, comprendiendo dicho sistema de ajuste y mitigación: un conjunto de capa de ajuste (12) que comprende una capa elástica y que tiene una primera impedancia acústica; y un conjunto de capa disipadora (14) que comprende una capa disipadora fabricada con un material viscoelástico que tiene una frecuencia crítica de amortiguación y que tiene una segunda impedancia acústica inferior a la primera impedancia acústica, siendo dicha capa disipadora (14) próxima a dicha capa elástica, en el que la capa elástica y la capa disipadora están configuradas colectivamente para ajustar las ondas de tensión resultantes de la explosión o el impacto a una o más frecuencias ajustadas específicas que coinciden con la frecuencia de amortiguación crítica de la capa disipadora, la capa disipadora ajustando con la capa elástica y vibrando con la capa elástica como un sistema masa-resorte.

Description

DESCRIPCIÓN

Ajuste y mitigación de frecuencia de explosiones/impactos

CAMPO

La presente divulgación se refiere a un concepto novedoso para el diseño de estructuras de protección contra explosiones e impactos.

El documento US 2013/0000476 A1 desvela un dispositivo que incluye un primer material configurado para reflejar una parte sustancial de una energía de onda expansiva de aire incidente especificada. El primer material incluye una primera región reflectante que tiene una primera impedancia acústica sustancialmente desajustada a la impedancia acústica del aire. El primer material incluye una segunda región reflectante que tiene una segunda impedancia acústica sustancialmente menor que la primera impedancia acústica. El dispositivo incluye un segundo material configurado para atenuar la energía de la onda expansiva de aire incidente especificada utilizando una respuesta inelástica. El segundo material está configurado para ser usado cerca del cuerpo humano.

El documento US 2014/0026279 A1 desvela un elemento en forma de espiral y materiales ondulados incrustados para uso en un material de mitigación de impactos para disipar la energía asociada al impacto de un objeto. El material de mitigación de impactos puede utilizarse en cascos, parachoques, chalecos antibalas, blindajes militares y otras aplicaciones.

El documento EP 0930832 B1 desvela otro material de mitigación de choques.

ANTECEDENTES Y SUMARIO

Esta sección proporciona información de antecedentes relacionada con la presente divulgación que no es necesariamente del estado de la técnica. Esta sección proporciona un sumario general de la divulgación, y no es una divulgación exhaustiva de todo su alcance o de todas sus características.

Se presenta una estrategia de diseño para un material de composite, y una realización ejemplar de ese diseño, que disipa de forma óptima y repetida la energía transmitida a través de un material de composite como resultado de un evento de impacto. La estrategia de diseño, de acuerdo con los principios de las presentes enseñanzas, utiliza una o más capas elásticas para modular el contenido de frecuencia de la onda de tensión que viaja a través del material de composite, y una capa viscoelástica para disipar la energía en esa frecuencia. Los resultados experimentales y computacionales actuales internos demuestran que este diseño mitiga eficazmente la presión y disipa la energía transmitida a través del material de composite.

En algunas realizaciones de las presentes enseñanzas, se proporciona una estructura de composite que consiste en componentes elásticos y viscoelásticos livianos seleccionados y configurados para reducir óptimamente el impulso, mientras que simultáneamente se mitiga la fuerza (presión) transmitida a través del material de composite de una carga de impacto, y se denomina generalmente diseño MITIGATIUM™. La innovación del enfoque que condujo al desarrollo de esta matriz de diseño MITIGATIUM™ es que reconoce que un material altamente disipador por sí solo generalmente no va a ser útil en cargas de impacto. Por el contrario, la disipación óptima y repetida sólo puede obtenerse mediante un material de composite de capas en el que el componente disipador se adapte a los demás componentes en función de las relaciones específicas entre sus respectivas propiedades mecánicas.

De acuerdo con los principios de las presentes enseñanzas, las propiedades de los componentes elásticos y viscoelásticos, y su colocación dentro del sistema de capas, se seleccionan de forma óptima para lograr tres resultados: 1) atenuar la presión transmitida a través del material de composite; 2) modular el contenido de frecuencia de las ondas de tensión dentro de las capas del material de composite para que 3) la energía impartida por el impulso se disipe eficazmente al transmitirse a través del material de composite. La naturaleza sinérgica de MITIGATIUM™ surge porque acopla el componente disipador a otros componentes seleccionados específicamente para ajustar la onda de tensión que viaja a través de los materiales elásticos a una frecuencia en la que puede ser disipada más eficientemente por la respuesta viscosa de la capa disipadora. Por lo tanto, la innovación tiene poco que ver con los materiales específicos seleccionados para esta demostración de MITIGATIUM™, sino que reside en el concepto de ajuste y en el procedimiento de selección de la combinación específica de propiedades de los materiales que se requiere para una aplicación determinada. En teoría, no hay límite al número de combinaciones de materiales elásticos y viscoelásticos que pueden satisfacer la matriz de diseño MITIGATIUM™. Sin embargo, el diseño debe adaptarse a diferentes aplicaciones.

La invención se define en las reivindicaciones adjuntas.

Otras áreas de aplicabilidad se harán evidentes a partir de la descripción proporcionada en la presente memoria. La descripción y los ejemplos específicos de este sumario están pensados únicamente con fines ilustrativos y no pretenden limitar el alcance de la presente divulgación.

DIBUJOS

Los dibujos descritos en la presente memoria son sólo para fines ilustrativos de las realizaciones seleccionadas y no de todas las posibles implementaciones, y no pretenden limitar el alcance de la presente divulgación.

La FIG. 1 ilustra un sistema de ajuste y mitigación multicapa de acuerdo con los principios de las presentes enseñanzas que tiene un conjunto de capa de ajuste de una sola capa y una configuración de conjunto de capa disipadora de una sola capa;

La FIG. 2 es un gráfico que ilustra los resultados de disipación de energía cinética (KE) del sistema de ajuste y mitigación multicapa de la FIG. 1 para diversos materiales viscoelásticos;

La FIG. 3 ilustra un sistema de ajuste y mitigación multicapa de acuerdo con los principios de las presentes enseñanzas que tiene un conjunto de capa de ajuste de una sola capa y una configuración de conjunto de capa disipadora multicapa;

La FIG. 4 es un gráfico que ilustra los resultados de disipación de energía cinética (KE) del sistema de ajuste y mitigación multicapa de la FIG. 3 para diversos materiales viscoelásticos;

La FIG. 5 ilustra la geometría del modelo para las simulaciones de impacto del penetrador;

La FIG. 6A ilustra la geometría del modelo de un diseño de casco convencional;

La FIG. 6B ilustra la geometría del modelo de un diseño de casco MITIGATIUM™ de acuerdo con las presentes enseñanzas;

La FIG. 6C es un gráfico que ilustra el historial de presión vs, tiempo de la carga de impacto oblicuo;

Las FIGS. 7A-7C son gráficos que ilustran los historiales de presión máxima, aceleración traslacional y aceleración rotacional dentro del cerebro en los diseños de cascos convencionales y MITIGATIUM™.

Los números de referencia correspondientes indican las partes correspondientes en las diversas vistas de los dibujos.

DESCRIPCIÓN DETALLADA

Las realizaciones de ejemplo se describirán ahora de forma más completa con referencia a los dibujos adjuntos.

Las realizaciones de ejemplo se proporcionan para que esta divulgación sea completa y transmita plenamente el alcance a los expertos en la técnica. Se exponen numerosos detalles específicos, tal como ejemplos de componentes, dispositivos y procedimientos específicos, para proporcionar una comprensión completa de las realizaciones de la presente divulgación. Será evidente para los expertos en la técnica que no es necesario emplear detalles específicos, que las realizaciones de ejemplo pueden ser realizadas en muchas formas diferentes y que ninguna de ellas debe ser interpretada como limitando el alcance de la divulgación. En algunas realizaciones de ejemplo, no se describen en detalle los procedimientos conocidos, las estructuras de dispositivos conocidas y las tecnologías conocidas.

La terminología empleada en la presente memoria tiene por objeto describir únicamente realizaciones de ejemplo particulares y no pretende ser limitativa. Tal y como se utilizan en la presente memoria, las formas singulares "un", "una" y "el/la" pueden incluir también las formas plurales, a menos que el contexto indique claramente lo contrario. Los términos "que comprende", "comprendiendo", "incluyendo" y "teniendo" son inclusivos y, por lo tanto, especifican la presencia de características, números enteros, etapas, operaciones, elementos y/o componentes declarados, pero no excluyen la presencia o adición de una o más características, números enteros, etapas, operaciones, elementos, componentes y/o sus grupos. Los pasos del procedimiento, los procedimientos y las operaciones descritas en la presente memoria no deben interpretarse como que requieren necesariamente su realización en el orden particular discutido o ilustrado, a menos que se identifique específicamente como un orden de realización. También debe comprenderse que pueden emplearse etapas adicionales o alternativas.

Cuando se hace referencia a un elemento o capa como estando "sobre", "engranado a", "conectado a" o "acoplado a" otro elemento o capa, puede estar directamente sobre, engranado, conectado o acoplado al otro elemento o capa, o puede haber elementos o capas intermedias. Por el contrario, cuando se dice que un elemento está "directamente sobre", "directamente engranado a", "directamente conectado a" o "directamente acoplado a" otro elemento o capa, puede no haber elementos o capas intermedias. Otras palabras utilizadas para describir la relación entre elementos deben interpretarse de forma similar (por ejemplo, "entre" versus "directamente entre", "adyacente" versus "directamente adyacente", etc.). Tal y como se utiliza en la presente memoria, el término "y/o" incluye todas las combinaciones de uno o más de los elementos enumerados asociados.

Aunque los términos primero, segundo, tercero, etc. pueden utilizarse en la presente memoria para describir varios elementos, componentes, regiones, capas y/o secciones, estos elementos, componentes, regiones, capas y/o secciones no deben limitarse por estos términos. Estos términos sólo pueden utilizarse para distinguir un elemento, componente, región, capa o sección de otra región, capa o sección. Los términos tales como "primero", "segundo" y otros términos numéricos utilizados en la presente memoria no implican una secuencia u orden, a menos que el contexto lo indique claramente. Por lo tanto, un primer elemento, componente, región, capa o sección que se discute a continuación puede denominarse segundo elemento, componente, región, capa o sección sin apartarse de las enseñanzas de las realizaciones de ejemplo.

Los términos relativos al espacio, tal como "interior", "exterior", "debajo", "inferior", "arriba", "superior", y similares, pueden utilizarse en la presente memoria para facilitar la descripción de la relación de un elemento o característica con otros elementos o características como se ilustra en las figuras. Los términos relativos al espacio pueden abarcar diferentes orientaciones del dispositivo en uso o funcionamiento, además de la orientación representada en las figuras. Por ejemplo, si el dispositivo de las figuras se invierte, los elementos descritos como "inferior" o "debajo" de otros elementos o características se orientarían entonces "arriba" de los otros elementos o características. Por lo tanto, el término de ejemplo "abajo" puede abarcar tanto una orientación de arriba como de abajo. El dispositivo puede estar orientado de otra manera (girado 90 grados o en otras orientaciones) y los descriptores espacialmente relativos utilizados en la presente memoria se interpretan en consecuencia.

INTRODUCCIÓN

En principio, se prevé que la presente invención encontrará utilidad en una amplia gama de aplicaciones, incluyendo, pero sin limitación, el blindaje de vehículos, el blindaje personal, la protección contra explosiones, la protección contra impactos, los chalecos, los cascos, las protecciones corporales (incluyendo la protección del pecho, la protección de las espinillas, la protección de las caderas, la protección de las costillas, la protección de los codos, la protección de las rodillas, el calzado para correr), la protección del campo de tiro, la protección de edificios, el empaque de aparatos y dispositivos, y similares. Debe apreciarse que las presentes enseñanzas son aplicables a cualquier situación de explosión y/o impacto.

De acuerdo con los principios de las presentes enseñanzas, como se ilustra en las figuras, se proporciona un sistema de ajuste y mitigación multicapa 10 para la mitigación de explosiones y/o impactos. El sistema multicapa de ajuste y mitigación 10 comprende un conjunto de capa de ajuste 12 y un conjunto de capa disipadora 14. El conjunto de capa de ajuste 12 puede comprender una o más capas elásticas individuales que tienen una impedancia acústica. De manera similar, el conjunto de capa disipadora 14 puede comprender una o más capas viscoelásticas individuales. Como resultado de un impacto, se produce una onda de tensión cuyas frecuencias que entran en el conjunto de capa disipadora 14 están determinadas por las propiedades mecánicas y físicas (por ejemplo, la impedancia acústica) del conjunto de la capa de ajuste 12 y la geometría y la naturaleza del propio evento de impacto.

El conjunto de capa disipadora 14 se selecciona de modo que sea complementario al conjunto de la capa de ajuste 12 para ajustar las frecuencias de las ondas de tensión en un intervalo que es amortiguado por el conjunto de capa disipadora 14. Las frecuencias de amortiguación requeridas para el conjunto de capa disipadora 14 son específicas de la aplicación; es decir, dependen del propio evento de impacto, así como de la forma y el tamaño de la propia estructura de mitigación de impactos.

Con especial referencia a las FIGS. 1 y 2, en algunas realizaciones, el sistema de ajuste y mitigación multicapa 10 puede comprender un conjunto de capa de ajuste de una sola capa 12 y un conjunto de capa disipadora de una sola capa 14. De este modo, el conjunto de capa de ajuste de una capa 12 es un material elástico que es suficiente para trabajar con el conjunto de capa disipadora de una capa 14 para ajustar las frecuencias de las ondas de tensión del impacto. El conjunto de capa disipadora 14 es un material viscoelástico seleccionado para mitigar las frecuencias ajustadas resultantes de la onda de tensión para disipar la energía cinética. Como se ilustra en la FIG. 2 y descrito en la presente memoria, el material viscoelástico se selecciona en función de las frecuencias ajustadas particulares, en las que, por ejemplo, el material viscoelástico V1 es suficiente para disipar aproximadamente 77% de la energía cinética (KE) de las frecuencias ajustadas, V2 es suficiente para disipar aproximadamente 95% de la energía cinética (KE) de las frecuencias ajustadas, y V3 es suficiente para disipar aproximadamente 96% de la energía cinética (KE) de las frecuencias ajustadas. La FIG. 2 se generó en respuesta a un penetrador que impacta en la estructura de la FIG. 1 con una energía cinética de aproximadamente 10 J. En esta realización, el conjunto de la capa de ajuste 12 es un material elástico fino y el conjunto de capa disipadora 14 es un material viscoelástico más grueso. Las frecuencias dominantes que entran en la segunda capa en este ejemplo están en el intervalo de 0,01 -100 Hz (aproximadamente).

Con especial referencia a las FIGS. 3 y 4, en algunas realizaciones, el sistema de ajuste y mitigación multicapa 10 puede comprender un conjunto de capa de ajuste de una sola capa 12 y un conjunto de capa disipadora multicapa 14. De este modo, el conjunto de capas de ajuste de una sola capa 12 es un material elástico que es suficiente para trabajar con el conjunto de capas disipadoras de varias capas 14 para ajustar las frecuencias de las ondas de tensión del impacto. El conjunto de capas disipadoras multicapa 14 puede comprender dos o más materiales viscoelásticos seleccionados para mitigar cada uno una porción de las frecuencias ajustadas resultantes de la onda de tensión para disipar la energía cinética. En algunas realizaciones, se pueden utilizar varias capas del conjunto de capas disipadoras multicapa 14 para disipar las mismas frecuencias, frecuencias diferentes y/o frecuencias superpuestas. Por ejemplo, el conjunto de capa de ajuste de una sola capa 12 puede funcionar para ajustar las ondas de tensión a un intervalo de frecuencias, y una capa del conjunto de capa disipadora 14 puede disipar un primer subintervalo de las frecuencias y una segunda capa del conjunto de capa disipadora 14 puede disipar un segundo subintervalo de las frecuencias. El primer y el segundo subintervalo pueden ser diferentes, superponerse o ser el mismo. Como se ilustra en la FIG. 4 y descrito en la presente memoria, los materiales viscoelásticos del conjunto de capas disipadoras multicapa 14 se seleccionan en función de las frecuencias ajustadas particulares, en las que, por ejemplo, el material viscoelástico compuesto V1 es suficiente para disipar aproximadamente 80% de la energía cinética (KE) de las frecuencias ajustadas, el material viscoelástico compuesto V2 es suficiente para disipar aproximadamente 94% de la energía cinética (KE) de las frecuencias ajustadas, y el material viscoelástico compuesto V3 es suficiente para disipar aproximadamente 95% de la energía cinética (KE) de las frecuencias ajustadas.

También debe apreciarse que, en algunas realizaciones, el sistema de ajuste y mitigación multicapa 10 puede comprender un conjunto de capa de ajuste multicapa 12 y un conjunto de capa disipadora monocapa 14, o un conjunto de capa de ajuste multicapa 12 y un conjunto de capa disipadora multicapa 14.

En algunas realizaciones, el conjunto de capas de ajuste 12 puede modificarse, variando así su rendimiento e impedancia acústica, seleccionando el material, el espesor y, en el caso de una configuración multicapa, la forma y si las capas están unidas. Asimismo, el conjunto de capas disipadoras 14 puede modificarse, variando así su rendimiento disipador, mediante la selección del material, el espesor y, en el caso de una configuración multicapa, la forma y si las capas están unidas. A modo de ejemplo no limitativo, en algunas realizaciones, el conjunto de capas de ajuste 12 puede estar hecho de un material elástico, como termoplásticos (por ejemplo, policarbonato, polietileno), metales, cerámicas, polímeros (de tipo elástico), compuestos y sólidos biológicos (por ejemplo, hueso, ligamento). Además, el conjunto de capa disipadora 14 puede estar fabricado con material viscoelástico, tal como por ejemplo polímeros. No obstante, debe comprenderse que los polímeros pueden ser elásticos y/o viscoelásticos. El hecho de que sean elásticos o viscoelásticos en una aplicación determinada depende de la temperatura de aplicación y de las frecuencias consideradas. En otras palabras, un polímero dado a una temperatura determinada responde elásticamente a algunas frecuencias y de manera viscoelástica a otras.

El conjunto de capa de ajuste 12 se selecciona típicamente en función de otros requisitos funcionales de la aplicación, tal como la resistencia a las virutas de una pintura en capas, la resistencia a la penetración balística en una armadura militar y la protección del cráneo contra la fractura en un casco deportivo. Por lo tanto, la impedancia acústica del conjunto de la capa de ajuste 12 se establece una vez que se lleva a cabo esta selección (sin embargo, puede haber varios materiales que se ajusten a la cuenta). El espesor del conjunto de la capa de ajuste 12 también puede establecerse mediante estos requisitos funcionales existentes. Los atributos mecánicos y físicos del conjunto de la capa de ajuste 12 determinan una de las frecuencias que se pasarán al conjunto de capa disipadora 14 en un diseño ajustado. También proporcionan la masa del conjunto de la capa de afinación 12, que junto con el conjunto de capa disipadora 14, determinará una frecuencia adicional que se pasa al conjunto de capa disipadora 14 en un sistema dinámico (masa-resorte en el que el conjunto de la capa de afinación 12 es la masa y el conjunto de capa disipadora 14 es el resorte). El conjunto de capa disipadora 14 se elige para tener una impedancia acústica más baja que el conjunto de la capa de ajuste 12, para proporcionar el ajuste y mitigar la fuerza transmitida. Las propiedades elásticas del conjunto de capas disipadoras 14 determinan esta impedancia; un ajuste óptimo requiere una reducción significativa de la impedancia en la capa 2 con respecto a la de la capa 1. El conjunto de capa disipadora 14 puede incluir porciones que son elásticas, en las que actúa como el resorte en un sistema dinámico masa-resorte que tiene una frecuencia característica, o puede incluir porciones que son viscoelásticas para amortiguar adicionalmente la frecuencia ajustada o la frecuencia masa-resorte, o ambas. Si el conjunto de capas disipadoras 14 es parcialmente elástico, se requieren capas viscoelásticas adicionales para disipar el impulso. Un conjunto de capa disipadora viscoelástica 14 es a la vez elástico y viscoso, de modo que satisface todas las funciones anteriormente descritas del conjunto de capa disipadora 14 para ajustar con el conjunto de capa de ajuste 12 y vibrar con el conjunto de capa de ajuste 12 como un sistema masa-resorte. Además, se selecciona para amortiguar una o más de las frecuencias. Si el conjunto de capas disipadoras 14 es elástico, se selecciona una capa adicional para amortiguar las frecuencias transmitidas.

Por propósitos de ilustración, la presente invención se discutirá en relación con el diseño de un casco de fútbol americano. Sin embargo, tal y como se expone en la presente memoria, lo siguiente no debe considerarse como una limitación de la presente invención a sólo las realizaciones ilustradas.

ENFOQUE TÉCNICO

Estrategia para la salud de la cabeza - Cuando la cabeza es sometida a una fuerza impulsiva como un impacto o una onda expansiva, hay dos atributos del evento que pueden conducir a daños en el cerebro. La primera es la fuerza transmitida directamente (que corresponde directamente a la aceleración de la cabeza). El segundo es el impulso transmitido (que corresponde al cambio absoluto, no a la tasa de cambio, de la velocidad de la cabeza). Es sabido desde hace más de 70 años, si bien no reconocido generalmente, que el daño en los impulsos de larga duración depende de la fuerza máxima, mientras que el daño en los impulsos de corta duración depende de la magnitud del impulso. Para limitar la fuerza en el diseño de un casco, se puede utilizar el desajuste de la impedancia elástica para reducir la fuerza, y la disipación de energía para reducir el impulso. La presente estrategia de diseño es única, ya que se dirige específicamente a ambos de forma deliberada y no incidental.

Descripción del material - El enfoque técnico es una estrategia para diseñar un material de composite para la mitigación óptima de un impulso utilizando sólidos elásticos y viscoelásticos. Debe hacerse referencia adicional a la Solicitud PCT con Núm. Serie PCT/US2014/065658 titulada: "Ajuste y mitigación de frecuencia de explosiones/impactos".

Como ejemplo de diseño se selecciona un casco deportivo (de fútbol americano). Los diseños actuales de los cascos tienen otras funciones, como la de evitar la fractura del cráneo; por ello, para la presente demostración se han seleccionado materiales similares a los que se utilizan actualmente. La cubierta exterior de un casco de fútbol americano suele ser un termoplástico, tal como policarbonato (PC), por lo que se ha limitado la presente selección de la capa exterior a polímeros similares. Estos materiales no se deforman plásticamente bajo las cargas de impacto observadas en los deportes. Por lo tanto, responden como sólidos elásticos lineales. La mitigación de la fuerza transmitida a través de los materiales elásticos se logra fácilmente mediante un enfoque de desajuste de impedancia. Los cascos actuales utilizan esta estrategia de forma eficaz acoplando la primera capa de alta impedancia elástica a una segunda capa de baja impedancia elástica. Se ha seleccionado un material elástico para la segunda capa que tiene una impedancia elástica mucho menor que la de la primera capa para preservar las propiedades de mitigación de la fuerza de los cascos existentes, y para proporcionar la ajuste que está en el corazón del presente diseño. Una espuma de vinilo sirve para este propósito en el presente diseño. Los materiales elásticos no disipan nada de la energía asociada a un impacto; por lo tanto, una estrategia centrada en la reducción de la fuerza de un impacto mediante el desajuste de la impedancia elástica no contribuye a mitigar el impulso. Dicho de otro modo, esta estrategia no disipa la energía del impacto. Una tercera capa viscoelástica, o disipadora, puede disipar la energía; la elección óptima de las propiedades disipadoras de la tercera capa depende de las propiedades de las dos primeras.

Se ha limitado la selección de la tercera capa de material disipador a materiales viscoelásticos dado que el diseño debe ser capaz de disipar la misma cantidad de energía cada vez que el casco recibe un impacto. Los materiales que se deforman plásticamente y los materiales que se fracturan, deslaminan, resquebrajan y/o agrietan en un primer impacto no serán eficaces para disipar la energía en impactos posteriores de igual intensidad. Un material viscoelástico lineal puede disipar energía repetidamente. Sin embargo, es más eficaz en la disipación de energía a una frecuencia específica: esta frecuencia crítica (fcRr) es una función de sus módulos no relajados y relajados y su tiempo de relajación característico. En un impacto, la onda de tensión transmitida a un material sólido contiene un amplio espectro de energía, por lo que este mismo material viscoelástico actuando por sí solo no será eficaz para disipar la energía del impacto.

La presente solución novedosa para optimizar la disipación viscoelástica es ajustar la onda de tensión que entra en el material viscoelástico a una frecuencia que coincida con fcRir y amortiguar efectivamente esa frecuencia. Las primeras una o dos capas del material de composite en MITIGATIUM™ modulan la onda de tensión a una frecuencia que depende de sus propiedades elásticas, físicas y geométricas, además de mitigar la magnitud de la onda de tensión. Por lo tanto, tanto la magnitud de la fuerza (o tensión) como el impulso transmitido se reducen con el enfoque MITIGATIUM™. Una cuarta capa de espuma de confort se utiliza opcionalmente en el diseño porque cumple funciones importantes en los diseños de cascos actuales. Además de proporcionar comodidad al usuario, permite un ajuste regulable.

Datos que apoyan la disipación de energía - Se han realizado experimentos de impacto con MITIGATIUM™ y con un diseño de casco existente y se ha determinado que MITIGATIUM™ da lugar a una aceleración máxima significativamente menor que la del casco existente. Se han comparado estos resultados experimentales con los análisis computacionales para validar los presentes modelos computacionales de carga de impacto y propagación de ondas de tensión. También se han realizado análisis computacionales unidimensionales y bidimensionales de un diseño de casco MITIGATIUM™ y de un diseño de casco existente en un sistema cráneo/cerebro para demostrar la capacidad de disipación de energía de MITIGATIUM™. Los presentes resultados demuestran que el casco MITIGATIUM™ reduce la presión y el impulso transmitidos al cráneo y, por tanto, al cerebro, y que MITIGATIUM™ también reduce las aceleraciones traslacionales y rotacionales dentro del cerebro en comparación con las de un diseño de casco existente.

Mediciones de impacto - Se construyó una muestra prototipo de MITIGATIUM™ de la siguiente manera: capa 1, PE de 2,4 mm de espesor (McMaster Carr); capa 2, nitrilo vinílico de 12,7 mm de espesor (Grainger); capa 3, poliuretano (PU, McMaster Carr, de hecho tres capas de 4,1 mm de PU apiladas); capa 4, espuma blanda "confort" de 12,7 mm de espesor (McMaster Carr). Las dimensiones totales del espécimen de MITIGATIUM™ eran de 305 mm * 305 mm * 42 mm ["MITIGATIUM™ sin unión"]. También se construyó una muestra de prueba basada en un diseño de casco existente. Éste estaba formado por capas de PC (3,2 mm de espesor, McMaster Carr), vinilo (25,4 mm de espesor, Grainger) y espuma blanda (12,7 mm de espesor, McMaster Carr), de manera tal que su tamaño total era de 305 mm X 305 mm X 41 mm ["actual sin unión"]. Se construyeron conjuntos duplicados de cada tipo de espécimen y estas capas se unieron con un adhesivo en spray (3M Super 77) ["MITIGATIUM™ unido" y "Actual unido"]. Se utilizó un penetrador cilíndrico de acero (2,8 kg, 7,5 cm de diámetro, 7,5 cm de longitud, McMater Carr) para impactar en cada muestra. El penetrador se dejó caer desde una altura de 72 cm (20 J) utilizando una liberación rápido y la posición vs. tiempo del penetrador se registró mediante una cámara de vídeo digital de alta velocidad (Optotrak Certus) a una velocidad de 400 imágenes/s. Cada tipo de muestra se penetró cinco veces.

La derivada de los datos de posición vs. tiempo se calculó utilizando un procedimiento de diferenciación finita centrada en 5 puntos para obtener los datos de velocidad vs. tiempo. La derivada de los datos de velocidad vs. tiempo se calculó de forma similar para obtener los datos de aceleración frente al tiempo. Se determinó la aceleración máxima del penetrador para cada tipo de muestra y los resultados aparecen en la Tabla 1. Las aceleraciones máximas del penetrador durante el impacto de las probetas unidas superaron las de las probetas no unidas tanto para las muestras MITIGATIUM™ como para las actuales. Las aceleraciones máximas del penetrador durante el impacto de las dos muestras "Actuales" superaron las de las muestras MITIGATIUM™ tanto para los casos unidos como para los no unidos. Por lo tanto, el pico de aceleración del penetrador más bajo fue el que impactó en la muestra de MITIGATIUM™ sin unión. Como se describe en la presente memoria, la aceleración de la cabeza en un impacto es directamente proporcional a la fuerza máxima transmitida a través de un casco al cráneo. Los experimentos de impacto realizados en este caso no son una indicación directa de la fuerza transmitida a través de las muestras, pero la aceleración del penetrador sirve como proxy del cráneo y proporciona una indicación de la respuesta de mitigación de la fuerza de las muestras. Por lo tanto, estos resultados indican que la muestra de MITIGATIUM™ es un mejor atenuador de la fuerza de lo que es el diseño actual del casco, y que las capas no unidas atenúan la fuerza mejor que las capas unidas.

Tabla 1: Resultados experimentales de aceleración máxima

Simulaciones de impacto con penetrador - El procedimiento experimental de impacto con penetrador se replicó computacionalmente utilizando las mismas geometrías para las muestras y el penetrador que en los experimentos, y las propiedades mecánicas y de los materiales para las capas de la Tabla 2. En las simulaciones se suponía que todas las capas de las muestras estaban unidas (para evitar prescribir las propiedades de contacto por fricción), pero no existían capas unidas; los nodos de la capa uno estaban unidos a los nodos de la capa dos, etc. Por lo tanto, el efecto de las propiedades mecánicas de las capas adhesivas en los experimentos no se examina en estas simulaciones computacionales. Para las simulaciones se utilizó el paquete comercial de elementos finitos ABAQUS Explicit. La geometría del modelo computacional aparece en la FIG. 5. Se le dio al penetrador una velocidad inicial de 3,7 m/s, que corresponde a la velocidad de un penetrador de 2,8 kg dejado caer desde una altura de 72 cm, de acuerdo con los experimentos. También se aplicó una fuerza corporal de 79.000 kg/m2s2 (densidad * gravedad) al penetrador para tener en cuenta la fuerza gravitatoria. Las aceleraciones máximas del penetrador determinadas a partir de estos análisis son: MIGATIUM™ unido, 550 m/s2; unido actual, 700 m/s2. Los resultados computacionales están dentro del 10% de los valores experimentales medios para las aceleraciones máximas que se indican en la Tabla 1. Estos resultados replican lo que se determinó experimentalmente, es decir, que MITIGATIUM™ es un mejor atenuador de la fuerza que el diseño actual del casco. Estos resultados computacionales proporcionan una confianza razonable en que se puede explorar la respuesta al impacto de varios diseños de cascos en la transmisión para predecir las propiedades de mitigación de la fuerza y el impulso, y por lo tanto las respuestas de prevención de lesiones, de la actual realización MITIGATIUM™, o de una realización óptima, frente a los diseños de cascos actuales.

Tabla 2: Propiedades mecánicas y físicas de capas utilizadas en análisis computacional de impactos.

Análisis unidimensional de la transmisión a través de capas elásticas y viscoelásticas - Se analizó la mecánica de la transmisión de las ondas de impacto a través de capas de materiales elásticos y viscoelásticos, como los que se encuentran en los cascos de fútbol americanos existentes, y se desarrolló el diseño MITIGATIUM™ para un nuevo casco deportivo compuesto por capas que pueden disipar óptimamente la energía del impacto. Los presentes resultados demuestran que un diseño de casco existente puede reducir la sobrepresión transmitida al cráneo en el interior del casco en un orden de magnitud respecto a la entregada por el impacto a la superficie externa del casco, pero no tiene ningún efecto sobre el impulso transmitido.

El nuevo paradigma de diseño MITIGATIUM™ no sólo puede reducir aún más la sobrepresión en un orden de magnitud adicional sobre los enfoques existentes, sino que también puede reducir el impulso entregado al cerebro en un orden de magnitud.

Esto se consigue mediante una capa viscoelástica seleccionada para que coincida con el ajuste inducido por la otra u otras capas. Los materiales viscoelásticos lineales disipan la energía a frecuencias específicas y lo hacen repetidamente. Cabe destacar nuevamente que un impacto arbitrario en un casco no dará lugar a una onda de tensión con una distribución de frecuencia óptima para ser disipada, tanto si se trata de diseños con materiales monolíticos como de diseños rellenos de fluido o con espacios de aire. Todos estos diseños, al igual que el diseño viscoelástico, disiparán la energía de forma óptima a frecuencias específicas. Por lo tanto, el concepto de diseño de disipación óptima debe contener el aspecto de ajuste de frecuencia.

Un diseño de una o varias capas permite ajustar un impacto arbitrario en una frecuencia específica que puede ser disipada de forma óptima por la capa viscoelástica. La capa viscoelástica, actuando sola, no es eficaz. El presente análisis unidimensional muestra que el uso de un material viscoelástico por sí solo, sin componentes de ajuste, transmite el 90% del impulso de un evento de impacto. Sin embargo, cuando un material viscoelástico se acopla de forma óptima a materiales elásticos que sintonizan la onda de tensión con la frecuencia crítica de amortiguación del material viscoelástico, se transmite menos del 30% del impulso.

En algunas realizaciones, este diseño óptimo de MITIGATIUM™ puede comprender una frecuencia de ajuste que es alta, por lo que el espesor de la tercera capa disipadora se reduce debido a la mayor frecuencia de ajuste. Por lo tanto, este MITIGATIUM™ óptimo es más fino y ligero que los cascos de fútbol americano actuales. Las propiedades requeridas del material viscoelástico están dentro de cualquier intervalo esperado de los poliuretanos.

Análisis bidimensional de la respuesta al impacto de los cascos - Se comparó un diseño de casco MITIGATIUM™ con un casco deportivo existente utilizando análisis bidimensionales de elementos finitos de la carga de impacto. Para las simulaciones se utilizó nuevamente el paquete comercial de elementos finitos ABAQUS Explicit. Las geometrías utilizadas en los modelos de elementos finitos se muestran en las FIGS. 6A y 6B. En estas simulaciones, la cabeza se modeló como un sistema de dos componentes consistente en un borde exterior con un material con propiedades que se aproximaban a un cráneo, y una región interior de material con propiedades que se aproximaban al cerebro. El modelo correspondiente a un diseño de casco de fútbol americano existente tiene una capa exterior de 4 mm de plástico ABS, una segunda capa de 23 mm de una espuma dura, y una capa interior de 9 mm de espuma "confort", como se muestra en la FIG. 6A. Seleccionó el casco MITIGATIUM™ de la FIG. 6B de modo que tenga la misma masa y volumen que el casco existente. La capa exterior de 4 mm es de polietileno, la segunda capa de 20,5 mm es una espuma elástica a base de estireno y la tercera capa de 2,5 mm es un material viscoelástico a base de uretano. La cuarta capa de este casco no es necesaria; se incluye para adaptarse al tamaño y peso del casco existente, y porque la espuma de confort es importante para los usuarios de cascos. De hecho, el diseño del casco MITIGATIUM™ puede hacerse significativamente más delgado y liviano que el casco existente. La selección de diseños de igual masa normaliza la respuesta, ya que la eficacia del blindaje para reducir la transferencia de momento depende de la masa. Los modelos de casco fueron sometidos a una carga de presión de impacto oblicuo de la forma y duración mostradas en la FIG. 6C. Se determinó la presión máxima y el impulso transmitido al cráneo. Se examinaron las aceleraciones lineales y rotativas en toda la región del cerebro y se registraron los valores máximos para su comparación. Los resultados se muestran en la Tabla 3 y en las FIGS. 7A-7C. Como muestra la tabla, la selección de la capa exterior afecta a la presión, el impulso y la duración del impacto que recibe el casco con una carga de impacto determinada. En las dos últimas columnas se comparan la presión y el impulso transmitidos al cráneo por los dos diseños de casco, normalizados por los valores transmitidos por el diseño de casco existente. El casco MITIGATIUM™ transmite menos de 1% de la presión y 31% del impulso que transmite el casco actual. Es importante considerar que sólo en este tipo de geometría -en la que hay interacción entre la cabeza y el casco- se pueden considerar todos los efectos de la transmisión de impulsos. En última instancia, la validación debe realizarse con este tipo de geometría, en lugar de considerar los impulsos transmitidos a una placa rígida masiva.

Las FIGS. 7A-7C muestran los historiales de presión máxima, aceleración traslacional y aceleración rotacional dentro del cerebro en ambos diseños de cascos. Los valores máximos se producen en diferentes nodos para las diversas cantidades registradas, y para diferentes nodos en cada casco, pero en todos los casos, se buscó la mayor magnitud dentro de toda la región del cerebro y eso es lo que se registra para la comparación. En la figura se aprecian claramente las importantes reducciones de la presión máxima y de las aceleraciones del casco MITIGATIUM™. También es evidente en las FIGS. 7A-7C que en el casco no amortiguado existente, un evento de carga de un solo impacto resulta en múltiples eventos de aceleración máxima.

Tabla 3: Presión transmitida, impulso transmitido, y duración de transmisión para un diseño de casco existente vs. el diseño de MITIGATIUM™

La descripción anterior de las realizaciones se ha proporcionado con fines ilustrativos y descriptivos. No pretende ser exhaustivo ni limitar la divulgación. Los elementos o características individuales de una realización particular no se limitan generalmente a esa realización particular, sino que, en su caso, son intercambiables y pueden utilizarse en una realización seleccionada, incluso si no se muestran o describen específicamente. También se puede variar de muchas maneras. Dichas variaciones no deben considerarse como una desviación de la divulgación, y se pretende incluir todas las dichas modificaciones dentro del ámbito de la divulgación.

Claims (11)

REIVINDICACIONES

1. Un sistema de ajuste y mitigación para mitigar un evento de explosión o impacto, comprendiendo dicho sistema de ajuste y mitigación:

un conjunto de capa de ajuste (12) que comprende una capa elástica y que tiene una primera impedancia acústica; y

un conjunto de capa disipadora (14) que comprende una capa disipadora fabricada con un material viscoelástico que tiene una frecuencia crítica de amortiguación y que tiene una segunda impedancia acústica inferior a la primera impedancia acústica, siendo dicha capa disipadora (14) próxima a dicha capa elástica,

en el que la capa elástica y la capa disipadora están configuradas colectivamente para ajustar las ondas de tensión resultantes de la explosión o el impacto a una o más frecuencias ajustadas específicas que coinciden con la frecuencia de amortiguación crítica de la capa disipadora, la capa disipadora ajustando con la capa elástica y vibrando con la capa elástica como un sistema masa-resorte.

2. El sistema de ajuste y mitigación de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el conjunto de capas de ajuste (12) comprende dos o más capas individuales.

3. El sistema de ajuste y mitigación de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el conjunto de capas disipadoras (14) comprende dos o más capas individuales.

4. El sistema de ajuste y mitigación de acuerdo con la reivindicación 3, en el que una primera de las dos o más capas individuales del conjunto de capas disipadoras (14) está configurada para disipar una primera de dichas frecuencias específicas ajustadas y una segunda de las dos o más capas individuales del conjunto de capas disipadoras (14) está configurada para disipar una segunda de dichas frecuencias específicas ajustadas, siendo dicha segunda frecuencia específica ajustada diferente de dicha primera frecuencia específica ajustada.

5. El sistema de ajuste y mitigación de acuerdo con la reivindicación 3, en el que una primera de las dos o más capas individuales del conjunto de capas disipadoras (14) está configurada para disipar una primera de dichas frecuencias específicas ajustadas y una segunda de las dos o más capas individuales del conjunto de capas disipadoras (14) está configurada para disipar una segunda de dichas frecuencias específicas ajustadas, siendo dicha segunda frecuencia específica ajustada la misma que dicha primera frecuencia específica ajustada.

6. El sistema de ajuste y mitigación de acuerdo con la reivindicación 1, en el que las propiedades de dicho conjunto de capa de ajuste (12) están configuradas para ajustar las ondas de tensión resultantes de la explosión o el impacto a dicha frecuencia ajustada específica utilizando parámetros de material.

7. El sistema de ajuste y mitigación de acuerdo con la reivindicación 6, en el que dichas propiedades se configuran del grupo que consiste en el espesor, el tipo de material y el tipo de unión.

8. El sistema de ajuste y mitigación de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho conjunto de capa de ajuste (12) está configurado para permitir el paso de dicha frecuencia ajustada específica a dicha capa disipadora (14), por lo que dicha frecuencia ajustada específica se disipa en dicho conjunto de capa disipadora (14).

9. El sistema de ajuste y mitigación de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho conjunto de capa de ajuste (12) está configurado para permitir el paso de dicha frecuencia ajustada específica a dicho conjunto de capa disipadora (14), por lo que dicha frecuencia ajustada específica se disipa de manera viscoelástica en dicho conjunto de capa disipadora.

10. El sistema de ajuste y mitigación de acuerdo con la reivindicación 1, en el que un espesor de dicho conjunto de capa disipadora (14) es suficiente para que la presencia de una onda de tensión de dicha frecuencia específica ajustada decaiga sustancialmente antes del paso de dicha onda de tensión a través de dicho conjunto de capa disipadora (14).

11. El sistema de ajuste y mitigación de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho conjunto de capa de ajuste (12) está unido a dicho conjunto de capa disipadora (14).