用于交通工具攔阻系統(tǒng)的宏觀圖案化材料和結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本公開的實(shí)施例總體涉及宏觀圖案化材料及其關(guān)于交通工具攔阻系統(tǒng)的使用方法。特定實(shí)施例提供可以用于攔阻交通工具的3?D折疊材料、蜂窩、格子狀結(jié)構(gòu)以及其他周期多孔材料結(jié)構(gòu)。可以被設(shè)計(jì)為具有允許材料在來自交通工具的壓力下以可預(yù)計(jì)方式可靠壓碎的特性。為了提供期望特性，材料可以被形成為各種形狀并以各種方式組合。
【專利說明】
用于交通工具攔阻系統(tǒng)的宏觀圖案化材料和結(jié)構(gòu)
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請要求2014年3月3日提交的標(biāo)題為"The use of Macro-patterned materials structures for vehicle arresting systems" 的美國第61/947,194號臨時(shí)申 請的權(quán)益，此處以引用的方式將上述申請的全部內(nèi)容并入。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本公開的實(shí)施例總體涉及宏觀圖案化材料及其關(guān)于交通工具攔阻系統(tǒng)的它們的 使用方法。特定實(shí)施例提供可以用于攔阻交通工具的3-D折疊材料、蜂窩、格子狀結(jié)構(gòu)以及 其他周期多孔材料結(jié)構(gòu)。材料可以被設(shè)計(jì)為具有允許材料在來自交通工具的壓力下以可預(yù) 計(jì)方式可靠壓碎的特性。為了提供期望特性，材料可以被形成為各種形狀并以各種方式組 合。
【背景技術(shù)】
[0004] 飛機(jī)可能且確實(shí)超過跑道的端部，這提高對乘客的傷害以及飛機(jī)的摧毀或?qū)︼w機(jī) 的嚴(yán)重?fù)p害的可能性。這種超限已在失敗的起飛期間或在降落時(shí)發(fā)生，飛機(jī)以多達(dá)80節(jié)的 速度行進(jìn)。為了使超限的危害最小化，聯(lián)邦航空管理局(FAA)通常需要超過跑道端部的、長 度為一千英尺的安全區(qū)域。雖然現(xiàn)在該安全區(qū)域已處于FAA標(biāo)準(zhǔn)中，但遍布全國的許多跑道 在采用該標(biāo)準(zhǔn)之前建造。這些跑道可能被定位為使得水、道路或其他障礙防止經(jīng)濟(jì)地符合 一千英尺超限要求。
[0005] 為了減輕超限情況的嚴(yán)重后果，若干材料(包括超出跑道的現(xiàn)有土表面)已對于它 們使飛機(jī)減速的能力進(jìn)行了評估。然而，土表面不是用于攔阻移動(dòng)交通工具（即，飛機(jī))的最 佳解決方案，主要是因?yàn)樗鼈兊男再|(zhì)不可預(yù)知。
[0006]已開發(fā)的另一個(gè)系統(tǒng)是提供了一種交通工具攔阻系統(tǒng)或其他可壓縮系統(tǒng)，該交通 工具攔阻系統(tǒng)或其他可壓縮系統(tǒng)包括置于跑道的端部處的、在行進(jìn)離開跑道端部的飛機(jī)輪 的壓力下將可預(yù)計(jì)且可靠壓碎(或以其他方式變形）的材料或障礙物。由可壓縮低強(qiáng)度材料 提供的阻力使飛機(jī)減速并使飛機(jī)停止在超限區(qū)域的范圍內(nèi)。交通工具攔阻系統(tǒng)的具體示例 稱為工程材料攔阻系統(tǒng)(EMAS)，并且現(xiàn)在是日期2005年9月30日的FAA咨詢通告150/5220-22B"Engineered Materials Arresting Systems(EMAS)for Aircraft Overturns" 中所述 的美國機(jī)場設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的一部分。EMAS和跑道安全區(qū)域規(guī)劃由FAA制度5200.8和5200.9來指 導(dǎo)。
[0007] 可壓縮(或可變形）交通工具攔阻系統(tǒng)還可以例如為了使除了飛機(jī)之外的交通工 具或?qū)ο鬁p速的目的而置于道路或人行道(或別處）上或中。它們可以用于安全地停止汽 車、火車、卡車、摩托車、拖拉機(jī)、輕便摩托車、自行車、船或可以加速且傾斜失去控制由此需 要被安全停止的任何其他交通工具。
[0008] 已考慮用于攔阻交通工具(具體地關(guān)于攔阻飛機(jī)）的一些具體材料包括酚醛泡沫、 多孔水泥、泡沫玻璃以及多孔化學(xué)結(jié)合磷酸鹽陶瓷(CBPC)。這些材料可以被形成為跑道端 部處的攔阻器區(qū)域中的淺床。當(dāng)交通工具進(jìn)入攔阻器區(qū)域時(shí)，交通工具的輪子將陷入材料 中，該材料被設(shè)計(jì)為產(chǎn)生拖曳負(fù)載的增加。
[0009]然而，可以改進(jìn)到目前為止已開發(fā)的材料中的一些。例如，酚醛泡沫可能不利的在 于它具有"回彈"特性，這導(dǎo)致壓縮之后一些能量的返回。多孔混凝土具有可能隨著時(shí)間的 過去而變化且可能由于它的可變原料的固有特性以及隨后的水合過程而在生產(chǎn)中難以保 持的密度和壓縮強(qiáng)度特性。泡沫玻璃可能難以控制均勻性。由此，期望開發(fā)用于交通工具攔 阻床的改進(jìn)材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]由此，這里所述的本發(fā)明的實(shí)施例提供用于使用宏觀圖案化材料或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)交通 工具攔阻系統(tǒng)的系統(tǒng)和方法，該宏觀圖案化材料或結(jié)構(gòu)可以被設(shè)計(jì)為具有允許材料在來自 交通工具的壓力下以可預(yù)計(jì)方式可靠壓碎的特性。為了提供期望特性，材料可以被形成為 各種形狀并以各種方式組合。
【附圖說明】
[0011] 圖1示出了宏觀圖案化材料的一個(gè)實(shí)施例的頂部透視圖，具體為鋁合金片上的人 字形圖案的3-D折疊結(jié)構(gòu)。
[0012] 圖2示出了作為不同鋁合金材料上的人字形圖案中的3-D折疊結(jié)構(gòu)的宏觀圖案化 材料的一個(gè)實(shí)施例的頂部透視圖。
[0013] 圖3示出了宏觀圖案化材料的另一個(gè)實(shí)施例的頂部透視圖。
[0014] 圖4示出了可以用于形成材料片上的折痕或圖案的機(jī)器的一個(gè)實(shí)施例的側(cè)面透視 圖。
[0015] 圖5A示出了由多個(gè)宏觀圖案化材料結(jié)構(gòu)形成的塊。
[0016]圖5B示出了由多個(gè)宏觀圖案化材料結(jié)構(gòu)形成的塊制成的板。
[0017]圖6示出了由多個(gè)宏觀圖案化材料結(jié)構(gòu)形成的塊。
[0018] 圖7A-圖7H示出了本公開范圍內(nèi)的替代結(jié)構(gòu)形狀。
[0019] 圖8示出了蜂窩圖案的一個(gè)實(shí)施例。
[0020] 圖9示出了外側(cè)板在蜂窩芯兩側(cè)上的蜂窩圖案的示意圖。
[0021] 圖10示出了蜂窩夾板的一個(gè)實(shí)施例。
[0022] 圖11示出了具有刻痕外側(cè)板的蜂窩夾板的一個(gè)實(shí)施例。
[0023] 圖12A和圖12B示出了飛機(jī)輪接觸具有變化的單元軸的定向的蜂窩實(shí)施例的示意 圖。
[0024] 圖13示出了堆疊蜂窩塊或板的示意圖。
[0025] 圖14示出了可以定位于形成塊的各種結(jié)構(gòu)之間的粘結(jié)層的示意圖。
[0026]圖15A和圖15B不出了蜂窩芯和蜂窩板的火災(zāi)測試結(jié)果。
[0027] 圖16示出了本公開范圍內(nèi)的各種類型的格子狀結(jié)構(gòu)。 具體實(shí)施例
[0028] 本發(fā)明的實(shí)施例提供了材料，該材料以使它們可用于攔阻交通工具的方式來設(shè) 計(jì)。在一個(gè)方面中，材料被提供為宏觀圖案化材料。如這里所用的，短語"宏觀圖案化材料" 或"宏觀圖案化結(jié)構(gòu)"用于指由三維（"3-D"）空間中的重復(fù)單元制成的結(jié)構(gòu)。它們對于各單 元可以包括等于或大于大約1毫米的最小特征尺寸。材料或結(jié)構(gòu)可以包括3-D折疊材料、格 子狀結(jié)構(gòu)、蜂窩結(jié)構(gòu)以及任意其他類型的周期多孔結(jié)構(gòu)。
[0029] 如這里所用的，"周期多孔材料結(jié)構(gòu)"指具有與周期多孔金屬（例如， Phil·Trans.R.Soc·Α(2006)364,31-68頁，Haydn N.G.Wadley"multifunctional periodic cellular metals"中所述的金屬)的結(jié)構(gòu)類似的結(jié)構(gòu)，但它們不限于金屬材料。這種周期多 孔材料結(jié)構(gòu)可以由任意可行的材料制成，包括金屬材料、陶瓷、塑料、紙及其復(fù)合材料或其 組合。此外，具有上面定義的特征尺寸的非周期多孔材料也落入宏觀圖案化材料和結(jié)構(gòu)的 范圍內(nèi)。
[0030] 在一個(gè)示例中，材料為折疊三維結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)可以通過被折疊或按壓或鑲嵌或以其 他方式設(shè)計(jì)來形成。這些材料可以以任意數(shù)量的可選形狀和配置以及層來形成。在其他實(shí) 施例中，材料被形成為格子狀結(jié)構(gòu)、物體或點(diǎn)的幾何結(jié)構(gòu)、桿、棒、可充氣結(jié)構(gòu)或任意其他結(jié) 構(gòu)，諸如交錯(cuò)結(jié)構(gòu)和圖案、蜂窩以及折疊蜂窩。
[0031] 這里所述的宏觀圖案化材料或結(jié)構(gòu)可以由金屬及其合金、箱、塑料、紙、相關(guān)材料 或其組合制成。更多選項(xiàng)在以下描述中提供。這種材料或結(jié)構(gòu)可以被制造為使得它們在被 剪裁以便用于交通工具攔阻系統(tǒng)時(shí)展示吸能能力。通過在與材料相互作用時(shí)從交通工具輪 或其他交通工具結(jié)構(gòu)產(chǎn)生拖拽力，可以吸收移動(dòng)交通工具的動(dòng)能，使得交通工具減速或停 止而對交通工具具有最小損壞且減速度到對交通工具乘員沒有傷害。通過改變各種材料或 結(jié)構(gòu)的幾何配置和材料屬性，不同重量的移動(dòng)交通工具可以安全地停止在預(yù)定范圍內(nèi)。（可 以停止的交通工具包括任意陸基輪移動(dòng)系統(tǒng)，諸如汽車、卡車、自行車、降落之后或起飛之 前的飛機(jī)等）。
[0032] 交通工具攔阻系統(tǒng)指用于安裝在飛機(jī)跑道末端或其他交通工具安全區(qū)域處的系 統(tǒng)。它們提供外部吸能源。它們與交通工具結(jié)構(gòu)本身分離。交通工具攔阻系統(tǒng)通常有效使進(jìn) 入系統(tǒng)的交通工具安全減速。它們可以被提供為床、凸起的障礙物、填充有材料的跑道上的 縮進(jìn)區(qū)域或任意其他適當(dāng)系統(tǒng)。所公開的攔阻系統(tǒng)通常由這里所述的宏觀圖案化材料和結(jié) 構(gòu)組裝。
[0033] 材料和結(jié)構(gòu)可以被設(shè)計(jì)為使得失效模式將滿足期望的性能要求。例如，材料件在 施加力時(shí)以受控方式變形或破碎，使得它們不對交通工具或其乘員造成嚴(yán)重危害。材料通 常被設(shè)計(jì)為具有針對超限飛機(jī)的輪子期望特性，該超限飛機(jī)的輪子穿過材料，使得停止飛 機(jī)。在一些示例中，材料可以被認(rèn)為是"易碎的"。另外，聯(lián)邦規(guī)定可以命令由破壞或壓碎材 料或結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的碎片的尺寸是使得它們小至不在跑道上引起安全問題。另一個(gè)示例是材料 和結(jié)構(gòu)可以被設(shè)計(jì)或處理為滿足不燃性要求。
[0034] 在一個(gè)具體示例中，發(fā)現(xiàn)將平坦材料片折疊成復(fù)雜3-D結(jié)構(gòu)提供可以用于攔阻交 通工具的強(qiáng)度密度比。作為背景，折疊的材料結(jié)構(gòu)和蜂窩被開發(fā)且用于其他應(yīng)用，諸如用于 降噪的聲學(xué)應(yīng)用、用于空投救濟(jì)和援助物資的保護(hù)以減小沖擊力(例如，作為空投緩沖墊）、 作為彈性減震器、作為建筑骨架或用于包裝香水以及其他易碎物品中。然而，這些用途中的 每一個(gè)的目標(biāo)是使材料承受沖擊且不粉碎或破碎。相反，該申請中所述的材料的期望意圖 是它們被設(shè)計(jì)為在來自交通工具的沖擊下以受控方式可靠地壓碎，以便安全地停止交通工 具，同時(shí)使對交通工具乘員的傷害和對交通工具的損壞最小化。
[0035]可以用于提供這里所述的結(jié)構(gòu)的一個(gè)折疊理論是被折疊成3-D圖案的材料片。這 可以產(chǎn)生芯結(jié)構(gòu)10,圖1-圖3中示出了該芯結(jié)構(gòu)10的示例。如下面進(jìn)一步概述的，一旦被形 成，芯結(jié)構(gòu)10可以與各種幾何結(jié)構(gòu)和布置以及圖案的其他芯結(jié)構(gòu)10結(jié)合，以便提供期望的 壓縮強(qiáng)度。
[0036]科學(xué)家已開發(fā)產(chǎn)生可以由平的片折疊的重復(fù)幾何圖案的數(shù)學(xué)理論。理論產(chǎn)生大量 種類的圖案，所有圖案被認(rèn)為在該公開的范圍內(nèi)。（這些理論中的許多由羅格斯大學(xué)的 D. H. K1 ing開發(fā)并開創(chuàng)，并且在由K1 ing博士和他的團(tuán)隊(duì)出版的相關(guān)文獻(xiàn)中概述。例如，在由 羅格斯大學(xué)的E.A.Elsayed和B.B.Basily進(jìn)行的標(biāo)題為"Applications of Folding Flat Sheets of Material Into 3-D Intricate Engineering Designs" 的論文中描述了用于 產(chǎn)生用于各種結(jié)構(gòu)的不同圖案的過程，以引用的方式將論文的全部內(nèi)容并入。）
[0037]任意類型的折疊技術(shù)可以用于形成所述的芯結(jié)構(gòu)10。一些示例包括但不限于使用 輥進(jìn)行的連續(xù)折疊、使用模具的不連續(xù)折疊以及真空折疊。圖4中示出了潛在折疊過程的一 個(gè)示例。在該示例中，為了在材料片上提供凸起圖案16或有折痕的圖案，可以由輥14按壓材 料片12。然后，借助刻有產(chǎn)生另外折痕和圖案的圖案另一組輥-橫向折疊輥發(fā)送具有凸起圖 案的片。更具體地，片12可以通過借助一組順序圓周帶槽的輥發(fā)送來預(yù)折疊。然后借助刻有 特定圖案的一組橫向折疊輥發(fā)送所預(yù)折疊的片。然后將該連續(xù)折疊的片切割成期望的尺 寸。在一些示例中，具體圖案可以為人字形或三角形圖案。形成的凸起圖案16可以為人字形 圖案，諸如圖1-圖3中所示的圖案。人字形圖案通?？梢蕴峁┮幌盗星短譜形特征。在其他示 例中，凸起圖案可以為配合面（"MS"）圖案，如圖7A所示。MS圖案通常提供偏移三角形面。在 其他示例中，具體圖案可以為框圖案或槽式圖案（圖7B和圖7C)、彎曲或正弦波狀圖案、具有 平坦表面(而不是點(diǎn)）的人字形（圖7D)、反射(或星狀)表面（圖7E)、軸承面反射鏡（圖7F)或 任意其他圖案。圖7G和圖7H示出了另外的非限制性示例。任意其他圖案是可能的且被認(rèn)為 在本公開的范圍內(nèi)。潛在凸起表面的其他示例包括但不限于人字形圖案。其他圖案可以包 括蜂窩圖案和提供期望吸能特性的任意其他圖案。
[0038]在另一個(gè)示例中，可以通過形成并布置期望的鑲嵌單元來產(chǎn)生模具。一旦形成模 具，則可以抵靠模具擠壓具有特定尺寸的材料片，以形成期望的折疊形狀。產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)具有 期望的折疊圖案。
[0039] 在另一個(gè)示例中，材料片可以受熱并拉伸。該方法特別有用于聚合物的、塑料的或 復(fù)合材料的材料片。然后，可以施加真空，以迫使可塑材料抵靠刻有期望的折疊圖案的模 具。還可以使用這些技術(shù)的組合。3-D折疊或形成3-D折疊結(jié)構(gòu)的其他方法是可能的且被認(rèn) 為在本公開的范圍內(nèi)。
[0040] 在確定要使用什么凸起圖案時(shí)考慮的準(zhǔn)則包括但不限于期望的沖擊強(qiáng)度、吸能、 壓碎強(qiáng)度、壓縮梯度以及任何其他因素。材料也可以根據(jù)期望來修改。例如，可以選擇具有 特定密度和耐蝕性的材料，并且材料可以形成有特定幾何結(jié)構(gòu)和高度。
[0041] 所選最終材料和結(jié)構(gòu)的特性可以借助設(shè)計(jì)來修改?？梢詫υ?、它們的厚度、折 疊圖案以及圖案幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變。選擇性質(zhì)和性能特性的設(shè)計(jì)靈活性可以允許將材料更 佳且更劃算地用于各種應(yīng)用。
[0042] 例如，材料片可以為金屬片。材料片可以為箱、金屬箱，諸如鋁或銅或其合金箱。材 料片可以為紙，諸如紙板、纖維板、波紋材料、耐火紙或玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。材料可以為 塑料，諸如熱塑性材料、其他聚合物復(fù)合材料、熱塑性材料、聚合物(包括但不限于聚乙烯、 聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、ABS樹脂）、或復(fù)合材料(諸如增強(qiáng)塑料)或其組合。材料可以為 加強(qiáng)復(fù)合物、碳纖維、加強(qiáng)復(fù)合材料、陶瓷、膠結(jié)材料或其組合。
[0043] 材料可以為上述材料的任意組合。還預(yù)想其他材料是可能的且被認(rèn)為在本公開的 范圍內(nèi)?？沙錃獠牧弦部梢员婚_發(fā)并認(rèn)為在本公開的范圍內(nèi)。材料可以為在施加適當(dāng)壓力、 熱或其他手段時(shí)可以變形的任意適當(dāng)材料。原料性質(zhì)可以被選擇為提供期望的壓碎強(qiáng)度。 可以考慮參數(shù)，諸如屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、熱處理歷史以及化學(xué)穩(wěn)定性。在特定示例中，已測 試1100系列鋁合金，并且該合金在各種交通工具攔阻應(yīng)用中示出良好的性能。
[0044] 本發(fā)明人已經(jīng)識別的一個(gè)概念是為了使結(jié)構(gòu)(或組合的多個(gè)結(jié)構(gòu))可靠地壓碎，可 以期望使所選的圖案更少各向異性，使得圖案通常在大多數(shù)(如果不是全部)方向上一致。 芯結(jié)構(gòu)10可以被形成為使得它的折痕和其他尺寸跨結(jié)構(gòu)10的各種橫截面基本類似。
[0045] 結(jié)構(gòu)通常被堆疊或形成為形成交通工具攔阻系統(tǒng)的更大結(jié)構(gòu)。在一個(gè)示例中，宏 觀圖案化格子狀、蜂窩或3-D結(jié)構(gòu)化材料被形成為具有由獨(dú)立的塊形成的定義結(jié)構(gòu)的主體。 宏觀的塊(可以為任意形狀，諸如球形、折疊片、桿、平板、蜂窩板等）可以置于設(shè)置的容積 中，這可以為盒、立方體、堆疊形成特定體、分層組裝、定位在床中或任意其他選項(xiàng)。它們可 以具有定義的位置，使得存在重復(fù)圖案。該重復(fù)圖案可以由堆疊的結(jié)構(gòu)形成，該堆疊的結(jié)構(gòu) 可以以不同方式定向。在另一個(gè)示例中，獨(dú)立的塊或結(jié)構(gòu)可以為松散的或由任意手段(諸如 粘合、焊接、互鎖或任意其他適當(dāng)選項(xiàng)）附接。簡言之，組裝通常不是隨機(jī)的。結(jié)構(gòu)不以任何 方式組合，但通常被架構(gòu)為產(chǎn)生重復(fù)圖案。這可以幫助提供從許多方向提供可靠壓碎的系 統(tǒng)。
[0046] 本發(fā)明人還已經(jīng)確定材料的特定厚度也支持它用作交通工具攔阻系統(tǒng)。在一個(gè)示 例中，折疊之前的材料的厚度可以在從大約0.003英寸到大約0.016英寸的范圍內(nèi)。在另一 個(gè)示例中，折疊之前的材料的厚度可以從大約0.005至大約0.015。在另一個(gè)示例中，折疊之 前的材料的厚度可以小于大約0.5毫米，并且具體地為小于大約0.3毫米。
[0047] 在一個(gè)示例中，所折疊材料上所形成的凸起圖案16的高度可以從大約0.3英寸至 大約2英寸。具體范圍可以從大約0.4英寸至大約一英寸或1 V2英寸。使該高度一致或以跨 整個(gè)結(jié)構(gòu)10大體一致通常是有利的。這可以允許結(jié)構(gòu)可靠地壓碎，不管是結(jié)構(gòu)的什么部分 接收沖擊。提供均勻分布的圖案可以幫助沖擊時(shí)期望的壓碎可靠性。
[0048] 如上所述，所形成的產(chǎn)生結(jié)構(gòu)10還可以與其他結(jié)構(gòu)堆疊或分層，以形成芯結(jié)構(gòu)的 塊18。圖5和圖6中示出了多個(gè)芯結(jié)構(gòu)的塊或單元的示例。芯結(jié)構(gòu)的塊18可以由具有相同材 料和相同或類似幾何結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)10形成。在另一個(gè)示例中，芯結(jié)構(gòu)的塊18可以由具有不同 材料和相同或類似幾何結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形成。在另一個(gè)示例中，芯結(jié)構(gòu)的塊18可以由具有相同 材料和不同幾何結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形成?？梢允褂眠@些特征的任意組合。如所提及的，一個(gè)具體示 例提供具有類似幾何結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)10,使得芯結(jié)構(gòu)的塊18更少各向異性。
[0049] 結(jié)構(gòu)10可以沿任意數(shù)量的方位來分層。例如，在圖5A中所示的示例中，結(jié)構(gòu)可以縱 向堆疊在彼此的頂部上。在另一個(gè)實(shí)施例中，結(jié)構(gòu)可以如圖6中所示在并排豎直狀布置中對 齊。插入層20可以如圖5A中所示插入所堆疊結(jié)構(gòu)的各層之間。另選地，結(jié)構(gòu)可以針對彼此直 接堆疊。在另外的實(shí)施例中，結(jié)構(gòu)10可以捻成或卷成圓形單元或塊。任意其他配置選項(xiàng)是可 能的且被認(rèn)為在本公開的范圍內(nèi)。結(jié)構(gòu)可以具有不同的頂層和/或底層、不同的中間層，或 者層可以全部類似。
[0050] 在一個(gè)示例中，形成層的結(jié)構(gòu)10可以粘合到彼此。在另一個(gè)示例中，形成層的結(jié)構(gòu) 10可以焊接到彼此。在另一個(gè)示例中，形成層的結(jié)構(gòu)10可以（使用例如可壓碎不可燃材料） 膠結(jié)到彼此。中間層20可以粘合和/或焊接到適當(dāng)?shù)奈恢??？梢詫⑻畛洳牧?未示出）并入所 折疊結(jié)構(gòu)10中的間隙的任意區(qū)域中。填充材料可以包括但不限于穩(wěn)定、可壓碎以及不可燃 材料。示例包括非常輕質(zhì)的陶瓷泡沫。另外的示例包括散粉、弱陶瓷水泥、膠狀物、泡沫、各 種類型的沙、其組合以及任意其他適當(dāng)?shù)倪x項(xiàng)。填料可以填充宏觀圖案化結(jié)構(gòu)的腔，這可以 提其性能和/或改變產(chǎn)生的交通工具攔阻系統(tǒng)的響應(yīng)行為。
[0051] 在一個(gè)具體實(shí)施例中，塊18可以通過沿兩個(gè)不同的方向交替地定向多個(gè)所折疊 層/結(jié)構(gòu)10來制成。這兩個(gè)方向可以垂直于彼此。中間層未折疊平片20可以添加到結(jié)構(gòu)10之 間。這可以（用膠粘劑或其他結(jié)合手段)幫助建立塊單元18。在一個(gè)具體方面中，塊單元18各 為大約五立方英寸。其他尺寸是可能的且被認(rèn)為在本公開的范圍內(nèi)。例如，塊的尺寸可以在 從1立方英寸至大約12立方英寸的范圍內(nèi)。
[0052] 這些塊單元18可以具有更少各向異性壓縮屈服強(qiáng)度。例如，不同方向上的強(qiáng)度差 可以小于30%。抗壓屈服強(qiáng)度的更少各向異性在交通工具攔阻性能方面是期望的。（預(yù)期交 通工具可以從任意數(shù)量的不同方向中的一個(gè)靠近并接觸塊18)。然后，塊單元18可以布置在 一個(gè)水平中且用膠粘劑或其他結(jié)合手段與未折疊面片20結(jié)合。這些中間層片20在頂部和/ 或底部可以具有大約0.003-0.016英寸的厚度。在一個(gè)方面中，中間層20的厚度可以類似于 或不同于用于制造所折疊結(jié)構(gòu)10的初始片的厚度。
[0053] 可以進(jìn)一步結(jié)合不同水平的所結(jié)合單元或塊18,這將一個(gè)水平添加到另一個(gè)上 方，以形成更大的塊。這些塊在形狀上可以為矩形、正方形或任意其他適當(dāng)尺寸或形狀。 [0054]圖5A示出了用所折疊結(jié)構(gòu)10、未折疊中間層20、頂層22 (未折疊）、底層24 (未折疊） 以及膠粘劑建造的多個(gè)單元18。在該示例中，各單元18通常為立方體形，并且在任意兩個(gè)相 鄰的折疊結(jié)構(gòu)10層之間具有一個(gè)或更多個(gè)平坦夾層或中間層20。所折疊結(jié)構(gòu)10層的方位如 之前所述的交替，以在兩個(gè)互相垂直的方向上實(shí)現(xiàn)相同的強(qiáng)度。因?yàn)椴牧峡梢栽诓煌姆?向上具有不同的強(qiáng)度，所以可以期望通過交替層方位來減小強(qiáng)度差。所折疊結(jié)構(gòu)層的高度 也根據(jù)測試來確定且通過選擇并使用適當(dāng)?shù)恼郫B工具實(shí)現(xiàn)以使橫向與垂直方向之間的強(qiáng) 度差最小化?？梢詫?shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)參數(shù)(諸如原料片的厚度、片的材料、折痕的高度、夾層厚度以及 其他參數(shù)）以實(shí)現(xiàn)不同方向上的期望材料強(qiáng)度和降低的強(qiáng)度各向異性。例如，所折疊層的范 圍可以從0.3英寸至大約1.5英寸。
[0055]圖5B示出了由三十六個(gè)立方體單元18制成的更大塊26,各立方體單元18為5英寸 x5英寸x5英寸的立方體18。對于該示例，膠粘劑用于將立方體18結(jié)合到一起。另外，面片28 結(jié)合到兩個(gè)水平的立方體單元18的頂部和底部。在兩個(gè)水平的立方體18之間，還存在用于 將兩個(gè)水平的立方體單元結(jié)合在一起的大平片30。除了任意兩個(gè)水平的立方體之間的大平 片28和大平片30之外，相鄰的立方體單元18之間沒有使用額外的結(jié)合。然而，應(yīng)理解，如果 期望，則可以使用結(jié)合膠粘劑或其他固定材料。更高的塊26可以通過增加更多水平和任意 相鄰水平之間的平片30來制作。應(yīng)理解，用于塊26的單元18的高度和其他方面不需要相同。 例如，可以使用不同材料、不同幾何結(jié)構(gòu)以及不同設(shè)計(jì)的塊。然而，使用類似材料、幾何結(jié)構(gòu) 以及設(shè)計(jì)的塊18的一個(gè)益處可以是所形成的更大塊26更少各向異性且可以可靠且可預(yù)計(jì) 地壓碎。
[0056]圖6示出了實(shí)施例，在該實(shí)施例中，結(jié)構(gòu)10相對于彼此豎向定位，使得各中間層之 間存在比它們?nèi)鐖D5A和圖5B中所示水平定位時(shí)更大的空間。
[0057] 還應(yīng)理解，可以改變面片28和平片30的厚度，以提供不同的壓碎配置。這可以允許 單元18或更大塊26被設(shè)計(jì)為滿足各種性能要求，例如在期望豎向強(qiáng)度隨高度變化的情況 下。將特定尺寸的單元18用于建造更大塊26且控制塊26中的單元18之間的結(jié)合的概念可以 幫助在交通工具攔阻期間確保良好的失效模式。
[0058] 在所示的示例中，測試人字形圖案。雖然發(fā)現(xiàn)該圖案提供示出了用于交通工具攔 阻系統(tǒng)中的預(yù)期應(yīng)用的良好吸能特性的測試結(jié)果，但應(yīng)理解，可以使用其他圖案且被認(rèn)為 在本公開的范圍內(nèi)。
[0059] 在其他實(shí)施例中，宏觀圖案化材料可以被形成為格子狀結(jié)構(gòu)、蜂窩、折疊蜂窩或其 他周期多孔結(jié)構(gòu)。例如，蜂窩結(jié)構(gòu)32可以被形成為夾在兩個(gè)外側(cè)板36之間的蜂窩狀單元結(jié) 構(gòu)34。圖8中圖示了蜂窩單元結(jié)構(gòu)34的一個(gè)示例。單元尺寸可以在從大約1/4英寸直到大約 一英寸的范圍內(nèi)?？梢允箚卧叽缟踔粮?，這取決于所用的材料。單元類型可以為矩形 的、六邊形的或任意其他適當(dāng)?shù)男螤?。蜂窩芯結(jié)構(gòu)通常在一維上具有承載能力，并且在機(jī)械 特性方面非常各向異性。然而，借助設(shè)計(jì)(諸如，通過增加面板并調(diào)節(jié)芯高度或使用折疊蜂 窩結(jié)構(gòu)，使得最終的蜂窩結(jié)構(gòu)可以承載來自不同方向的負(fù)荷），材料可以變得更少各向異 性。
[0060] 單元軸可以被設(shè)計(jì)或定向?yàn)槭沟盟鼈兙哂袕牟煌较蝾愃频膲核閺?qiáng)度。在一個(gè)示 例中，用于蜂窩狀單元結(jié)構(gòu)34的材料可以為金屬或合金(諸如鋁或其他金屬合金）的片或 箱。材料可以為塑料。材料可以為紙，諸如芳綸紙、硬紙板或其他選項(xiàng)。材料可以為陶瓷、膠 結(jié)材料、復(fù)合材料、其組合或可以具有期望壓碎性方面的其他適當(dāng)材料。
[0061] 圖9中圖示了具有外側(cè)板36的蜂窩結(jié)構(gòu)32的示意性示例。圖10中示出了蜂窩結(jié)構(gòu) 32的實(shí)際示例。外側(cè)板36可以由與單元結(jié)構(gòu)34相同或不同的材料制成。外側(cè)板36向提供更 剛性板的蜂窩結(jié)構(gòu)32提供"皮膚"。
[0062] 可以優(yōu)化材料的規(guī)格和/或材料的厚度，以提供產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的期望壓碎性。例如，材 料的規(guī)格可以在從薄鋁箱厚度至剛性金屬片的范圍內(nèi)。所組裝蜂窩板的厚度在高度Η上可 以在從大約1/4英寸至大約40英寸的范圍內(nèi)。在具體實(shí)施例中，板為大約24英寸高。在另一 個(gè)實(shí)施例中，多板的組裝塊可以多達(dá)大約40英寸高。應(yīng)理解，可以改變高度，以滿足需要，并 且高于40英寸的高度是可能的。
[0063]如圖11所示，外側(cè)板36可以刻痕或具有在板36的皮膚上制作的一個(gè)或更多個(gè)切口 38。這可以幫助增強(qiáng)結(jié)構(gòu)32(單獨(dú)的或作為組合結(jié)構(gòu)32)的吸能特征。刻痕38如圖所示可以 大體平行，或者它們可以為隨機(jī)的或沿各種方向?？毯刍蚯锌诒皇境鰹樵跍y試時(shí)提供期望 的拖拽載荷。
[0064]圖12示出了用于單元軸40的方向的各種選項(xiàng)。在圖12Α中，單元軸40形成22°的角。 圖12Β，單元軸40形成45°的角。已經(jīng)對90° (豎直軸線）、45°以及22°進(jìn)行測試。在特定測試條 件下，發(fā)現(xiàn)45°工作良好。然而，可以根據(jù)交通工具輪的預(yù)期接觸角度使用其他角度?？萍嘉?獻(xiàn)已將強(qiáng)度建立為單元軸角度的函數(shù)。發(fā)現(xiàn)，蜂窩結(jié)構(gòu)32的強(qiáng)度可以為單元軸40的函數(shù)。在 這些示例中，蜂窩結(jié)構(gòu)32可以經(jīng)由任意合適的手段固定到基板B。在一個(gè)示例中，它們可以 經(jīng)由膠粘劑固定到基板B。一個(gè)或更多個(gè)蜂窩結(jié)構(gòu)32可以端對端放置。
[0065] 在另一個(gè)示例中，圖13示出了可以堆疊多個(gè)蜂窩結(jié)構(gòu)32以形成組合結(jié)構(gòu)42。在該 示例中，結(jié)構(gòu)32可以被堆疊為使得它們另外沿著跑道產(chǎn)生凸起區(qū)域。在一個(gè)方面中，所堆疊 蜂窩結(jié)構(gòu)32可以被設(shè)計(jì)為具有類似的強(qiáng)度。在另一個(gè)方面中，所堆疊蜂窩結(jié)構(gòu)32可以被設(shè) 計(jì)為具有變化的強(qiáng)度。例如，可以在頂部上提供更弱的蜂窩結(jié)構(gòu)32A用于攔阻更輕飛機(jī)。更 強(qiáng)的蜂窩板32B可以被提供為底層或下層。所有層可以粘合或經(jīng)由一個(gè)或更多個(gè)粘結(jié)層42 粘附到彼此。
[0066]圖15示出了 一系列火災(zāi)測試結(jié)果。圖15A示出了沒有板的蜂窩單元結(jié)構(gòu)34。圖15B 示出了固定有板36的圖15A的結(jié)構(gòu)34。這些結(jié)果示出蜂窩結(jié)構(gòu)32提供期望的耐火性。然而， 可以向板提供另外的耐火涂層，諸如，例如，Temprotex?的涂層或其他耐火或耐腐蝕材 料。
[0067] 根據(jù)本公開可以使用的宏觀圖案化材料的另一個(gè)示例是成層打印的3-D打印材 料。期望的宏觀圖案化材料形狀可以為計(jì)算機(jī)生成的且然后使用任意適當(dāng)?shù)牟牧蟻泶蛴　?另外的材料可以與3-D打印選項(xiàng)一起使用。例如，沙或散浮石(在與合適的粘合劑組合時(shí))可 以打印成期望的形式。所用材料通常應(yīng)具有所述的壓碎性參數(shù)，使得移動(dòng)飛機(jī)的輪子將使 得材料壓碎或以其他方式變形。
[0068] 根據(jù)本公開可以使用的宏觀圖案化材料的另外示例是經(jīng)由棒形成的格子狀材料， 棒在各種點(diǎn)處連接到彼此，以形成結(jié)構(gòu)。圖16中示出了這種格子狀型結(jié)構(gòu)的非限制性示例。
[0069] 格子狀結(jié)構(gòu)的材料特性可以通過改變格子狀結(jié)構(gòu)本身、原料、或材料組件的尺寸 來修改。還可以對棒的長度、寬度或直徑、連接點(diǎn)處的結(jié)合強(qiáng)度以及其他參數(shù)進(jìn)行改變。例 如，壓縮強(qiáng)度可以根據(jù)對于交通工具攔阻系統(tǒng)應(yīng)用的具體要求而控制為大約3-lOOpsi。例 如，密度可以在從大約2pcf至50pcf的范圍內(nèi)。例如，格子狀結(jié)構(gòu)可以具有大約0.001至大約 1.5英寸的組件直徑或組件橫截面特征尺寸。格子狀結(jié)構(gòu)的一個(gè)可能示例是格子狀桁架結(jié) 構(gòu)。
[0070] 無論交通工具攔阻系統(tǒng)是由所述的3-D折疊材料制成還是由所述蜂窩結(jié)構(gòu)制成， 宏觀圖案化材料都可以被堆疊為使得不同層具有不同水平的壓碎性。在一個(gè)示例中，芯結(jié) 構(gòu)可以以在結(jié)構(gòu)的不同水平處允許不同壓碎性的方式來布置。例如，外層可以比內(nèi)層更容 易地壓碎，使得對結(jié)構(gòu)的損壞中的許多發(fā)生在外部。作為另一個(gè)示例，外側(cè)板或?qū)涌梢愿?或更深地刻痕，使得產(chǎn)生更多的拖拽載荷。作為另一個(gè)示例，系統(tǒng)的外層可以由具有與同一 系統(tǒng)中的下部材料不同的強(qiáng)度的不同材料層來提供。這些參數(shù)的最佳組合可以產(chǎn)生作為交 通工具攔阻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的最大有效性。這些特征可以對于不同的機(jī)場要求、跑道尺寸和/或 要安全停止的飛機(jī)的預(yù)期尺寸而進(jìn)行修改。
[0071] 產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)及其形成的主體的塊可以被形成為板、塊、床或可以被定位于跑道或 道路的末端處的任意結(jié)構(gòu)。產(chǎn)生的交通工具攔阻系統(tǒng)可以以任意適當(dāng)?shù)姆绞絹砉潭?。產(chǎn)生 的交通工具攔阻系統(tǒng)可以覆蓋或涂布有用于這種目的的任意材料。
[0072] 可以在不偏離本公開或以下權(quán)利要求的范圍或精神的情況下對上面列舉和附圖 中所示的結(jié)構(gòu)和方法進(jìn)行變化和修改、添加和刪除。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種交通工具攔阻系統(tǒng)，包括： 多個(gè)宏觀圖案化結(jié)構(gòu)，所述多個(gè)宏觀圖案化結(jié)構(gòu)由以可預(yù)計(jì)方式可靠壓碎的材料形 成。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述宏觀圖案化結(jié)構(gòu)包括三維折疊結(jié)構(gòu)。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中，所述三維折疊結(jié)構(gòu)通過用一組或更多組輥擠壓材 料片以在所述片上形成期望的凸起圖案來形成。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中，所述三維折疊結(jié)構(gòu)包括人字形圖案。5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中，所述三維折疊結(jié)構(gòu)被組合成塊，其中一個(gè)或更多 個(gè)結(jié)構(gòu)由中間層來分離。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述宏觀圖案化結(jié)構(gòu)貫穿各結(jié)構(gòu)包括一致的幾何 結(jié)構(gòu)。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述宏觀圖案化結(jié)構(gòu)包括由一個(gè)或更多個(gè)外側(cè)板 鑲邊的蜂窩單元結(jié)構(gòu)。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中，所述蜂窩結(jié)構(gòu)包括從大約0.25英寸至大約五英寸 的單元尺寸。9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中，所述一個(gè)或更多個(gè)外側(cè)板包括一個(gè)或更多個(gè)刻痕 或切口。10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中，所述蜂窩結(jié)構(gòu)包括具有軸的單元，其中，所述單 元軸相對于攔阻床表面以非垂直方式來布置。11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述宏觀圖案化結(jié)構(gòu)包括從大約0.003英寸至大 約0.016英寸的原料厚度。12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述宏觀圖案化結(jié)構(gòu)包括大約0.3英寸至大約2 英寸的高度。13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述宏觀圖案化結(jié)構(gòu)包括金屬片、鋁、銅、不銹 鋼、金屬箱、塑料、紙、耐火紙、紙板、纖維板、波紋材料、玻璃纖維、加強(qiáng)復(fù)合物、碳纖維、加強(qiáng) 復(fù)合材料、熱塑性材料、陶瓷、膠結(jié)材料、聚合物、或其組合。14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，包括由多個(gè)宏觀圖案化結(jié)構(gòu)形成的塊，其中，處于所述 塊的頂部處的所述宏觀圖案化結(jié)構(gòu)具有比處于所述塊的底部處的所述宏觀圖案化結(jié)構(gòu)更 低的強(qiáng)度。15. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述宏觀圖案化結(jié)構(gòu)包括格子狀結(jié)構(gòu)，所述格子 狀結(jié)構(gòu)具有在大約2_50pcf范圍內(nèi)的密度和在3-lOOpsi范圍內(nèi)的壓縮強(qiáng)度。16. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述宏觀圖案化結(jié)構(gòu)包括格子狀結(jié)構(gòu)，所述格子 狀結(jié)構(gòu)具有大約0.001英寸至大約1.5英寸的組件直徑或組件橫截面特征尺寸。17. -種交通工具攔阻系統(tǒng)，包括： 多個(gè)宏觀圖案化結(jié)構(gòu)，所述多個(gè)宏觀圖案化結(jié)構(gòu)被形成為三維折疊結(jié)構(gòu)，所述三維折 疊結(jié)構(gòu)相對于彼此堆疊且由一個(gè)或更多個(gè)中間層分離， 其中，所述結(jié)構(gòu)的材料包括以可預(yù)計(jì)方式可靠壓碎的材料，并且 其中，所述宏觀圖案化結(jié)構(gòu)包括從大約〇. 003英寸至大約0.016英寸的原料厚度和大約 0.3英寸至大約12英寸的圖案化層高度。
【文檔編號】B64F1/02GK106068351SQ201580011630
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2015年3月3日 公開號201580011630.1, CN 106068351 A, CN 106068351A, CN 201580011630, CN-A-106068351, CN106068351 A, CN106068351A, CN201580011630, CN201580011630.1, PCT/2015/18441, PCT/US/15/018441, PCT/US/15/18441, PCT/US/2015/018441, PCT/US/2015/18441, PCT/US15/018441, PCT/US15/18441, PCT/US15018441, PCT/US1518441, PCT/US2015/018441, PCT/US2015/18441, PCT/US2015018441, PCT/US201518441
【發(fā)明人】李友宏, M·維拉-岡薩雷斯, S·C·瓦倫蒂尼, 施毅堅(jiān), 鄒弘, M·加爾布斯
【申請人】工程阻攔系統(tǒng)公司