高圧増進構造技術

(関連出願の相互参照) 本実用特許出願は、2014年4月18日に出願された同時係属中の米国仮特許出願第61/981,340号の利益を主張するものである。該米国仮特許出願第61/981,340号の全内容は、あたかも完全に本明細書中に記載されているかのように、参照により本実用特許出願に援用される。

本発明は、構造の重量対強度比を向上させる、圧力増進構造を提供する。好ましくは、本発明は、圧力下のガスが密閉構造内に配置される、高圧増進構造(以降では「HPEST」と称される。「HPEST」は、本技術の出願人および発明者である、Robert A, Miller, Jrによって所有される商標である)を提供する、エネルギー消散製造品を開示する。高圧増進構造を使用する方法および高圧増進構造を製造する方法も、開示される。

構造、例えば、限定されないが、車両、ボート、または航空機のフレームもしくは本体、および車両、ボート、または航空機の構成部品、もしくは物理的建造物の枠組み、または任意のデバイスもしくは製造アイテムのための枠組みを構築することは、構造の重量および構造の強度を考慮することを伴うことが当技術分野で公知である。構造の重量対強度比は、そのうちのいくつかが以下で強調される、多くの理由で重要である。構造を構築するために最高の具体的強度を伴う材料を使用することが当技術分野で公知である。高い具体的強度を伴う材料は、例えば、限定されないが、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、および種々のポリマー等の繊維であり、これらは、頻繁に、例えば、炭素繊維エポキシ等の複合材料を作製するために使用される。これらのタイプの高強度材料、ならびにチタン、マグネシウム、アルミニウム、および高強度合金鋼等の他の材料が、建設業界、車両および航空機製造、ならびに航空宇宙で広く使用されている。

移動が可能である構造、例えば、限定されないが、自動車、トラック、建設重機、飛行機、またはヘリコプターの製造では、低い重量と高い強度との間の安全な妥協を見出すことが重要である。構造は、軽量であるが、移動(すなわち、種々の速度での進行)中の陸上の自動車、トラック、建設重機、または飛行中の飛行機もしくはヘリコプターに作用する種々の力に抵抗するために十分に頑丈かつ剛性でなければならない。それらはまた、全寿命で構造に対するこれらの力に耐えるために十分に耐久性がなければならない。これらの構造の多くの設計焦点は、それらを可能な限り軽量にすることである。材料技師は、これらの構造で使用するために、従来および複合の両方の材料を研究する。いくつかの関心分野は、材料の強度および剛性、その可用性、その処理の容易性、ならびにその耐温度および疲労性である。構造は、多くの競合要因、すなわち、ペイロード容量、費用、範囲、速度、燃料経済性、耐久性、雑音レベル、および(飛行機の場合)必要滑走路長、ならびに多くの他の要因が、相互に対して交換される、慎重に計画された妥協を有する設計を考慮して、設計される。最良の設計は、典型的には、最低重量において最大性能を提供する。本発明は、重量節約およびより高い強度が所望される、任意の用途に使用され得、任意のタイプの材料から作製され得る、構造の重量対強度比を向上させる。

本発明は、密閉内側チャンバを形成する少なくとも1つの壁を有する、構造と、構造の重量対強度比を向上させるための密閉内側チャンバ内に位置するガスとを備える、向上した重量対強度比を有する、製造品を提供する。好ましくは、本密閉内側チャンバは、圧力下でチャンバ内にガスを有する。より好ましくは、本製造品は、密閉内側チャンバの圧力が、陽圧または約1気圧の中立圧力のいずれか一方であることを含む。本発明の最も好ましい実施形態では、本明細書に説明されるような製造品は、密閉内側チャンバが、少なくとも1つのポートを含有し、ポートが、密閉内側チャンバを形成する少なくとも1つの壁の少なくとも1つの開口部を通って延在する、一方の端部を有し、ポートが、内側チャンバの中へのガスの添加を可能にし、または内側チャンバから外へのガスの漏出を可能にする、弁を有し、ポートが、構造の少なくとも1つの壁の開口部と密閉係合していることを含む。本明細書に説明されるような本発明の別の実施形態では、製造品は、ポートが、構造の壁の外部にある一方の端部(すなわち、第1の端部)を有し、ポートの第1の端部が、ポートの一方の端部と密閉係合している管の第1の端部に適応し、管が、第2の端部を有し、管の第2の端部が、圧縮機またはガス貯蔵シリンダの出口に適応し、圧縮機またはガス貯蔵シリンダの出口が、管の第2の端部と密閉係合し、弁が内側チャンバの中への開放位置にあるときに、圧縮機またはガス貯蔵シリンダが、管を通して、および管からポートの中へ、ならびにポートの弁を通して、圧力下のガスを供給することを含む。

本明細書に説明されるような本発明の製造品の別の実施形態では、製造品は、密閉内側チャンバ内に位置する密閉ブラダを有し、密閉ブラダは、ガスを含有する。好ましくは、本明細書に説明されるような製造品は、圧力下のガスを伴う密閉ブラダを有する。密閉ブラダの圧力は、陽圧または約1気圧の中立圧力のいずれか一方である。本発明の最も好ましい実施形態では、本明細書に説明されるような請求項の製造品は、少なくとも1つのポートを有する、密閉ブラダを有し、ポートは、密閉ブラダの壁の少なくとも1つの開口部を通って、および密閉内側チャンバの壁の少なくとも1つの開口部を通って延在する、一方の端部(すなわち、第1の端部)を有し、ポートは、密閉ブラダの中へのガスの添加を可能にし、または密閉ブラダから外へのガスの漏出を可能にする、弁を有し、ポートは、密閉ブラダの壁の開口部と、または密閉内側チャンバの壁の開口部と、もしくは密閉ブラダの壁の開口部および密閉内側チャンバの壁の開口部と密閉係合している。本発明の別の実施形態は、本明細書に説明されるような製造品を提供し、製造品はさらに、ポートの一方の端部が、内側チャンバの壁内の開口部を通って延在し、ポートの一方の端部が、管の第1の端部に適応し、管の第1の端部が、ポートの一方の端部と密閉係合し、管が、第2の端部を有し、管の第2の端部が、圧縮機またはガス貯蔵シリンダの出口に適応し、圧縮機またはガス貯蔵シリンダの出口が、管の第2の端部と密閉係合し、弁が開放位置にあり、かつ密閉ブラダの中へあるとき、圧縮機またはガス貯蔵シリンダが、管を通してポートの中へ、およびポートの弁を通して、圧力下のガスを供給することを含む。

本発明の別の実施形態は、密閉内側チャンバ内のガスの圧力を監視するための密閉内側チャンバ内に位置する1つまたはそれを上回るセンサを含む、本明細書に説明されるような製造品を提供する。好ましくは、1つまたはそれを上回るセンサは、密閉内側チャンバ内のガスの圧力を監視するために密閉内側チャンバ内に位置する。より好ましくは、1つまたはそれを上回るセンサは、密閉ブラダ内の圧力を監視するために密閉ブラダ内に位置する。最も好ましくは、本明細書に説明されるような製造品は、1つまたはそれを上回るセンサが、密閉ブラダ内の圧力を監視するために密閉ブラダ内に位置し、1つまたはそれを上回るセンサが、密閉内側チャンバ内の圧力を監視するために密閉内側チャンバ内に位置することを含む。

本発明のさらに別の実施形態では、本明細書に説明されるように、密閉ブラダもしくは密閉内側チャンバ内に位置する1つまたはそれを上回るセンサ、もしくは密閉内側チャンバおよび密閉ブラダ内に位置するセンサの組み合わせから、コンピュータに伝送される、データを受信するためのコンピュータプロセッサを含む、製造品が提供され、コンピュータプロセッサは、圧縮機またはガス貯蔵シリンダおよびポートの弁とインターフェース接続(リンク)され、コンピュータプロセッサは、圧縮機またはガス貯蔵シリンダの起動およびポートの弁の開閉によって、圧力を内側チャンバ内で所望のレベルに調節または維持する。

本発明の別の実施形態は、密閉内側チャンバを形成する少なくとも1つの壁を有する、構造と、密閉内側チャンバ内に位置する、収縮位置にあるブラダとを備える、向上した重量対強度比を有する製造品を提供し、収縮ブラダは、センサから信号を受信すると、収縮ブラダを膨張させるようにガスを産生する、膨張システムを有し、センサは、収縮ブラダと通信し、センサは、構造内に位置するか、または構造の外部に位置するかのいずれかであり、センサは、随意に、コンピュータプロセッサと通信している。好ましくは、センサは、密閉内側チャンバの外部または密閉内側チャンバ内のいずれかに位置する。本明細書に説明されるような本製造品のより好ましい実施形態では、膨張システムは、固体推進剤と、点火器とを備える。点火器は、固体推進剤にガスを産生させる信号をセンサから受信し、ガスは、陽圧下の膨張エアバッグまで、または1気圧の中立圧力まで収縮エアバッグを膨張させる。最も好ましい実施形態では、本明細書に説明されるような製造品は、固体推進剤が、例えば、アジ化ナトリウム(NaN3)および硝酸カリウム(KNO3)であることを含む。製造品の本最も好ましい実施形態では、点火器は、窒素ガスを産生するように、アジ化ナトリウム(NaN3)および硝酸カリウム(KNO3)の固体推進剤を反応させる、信号をセンサから受信し、窒素ガスは、圧力、最も好ましくは、陽圧下の膨張ブラダまで、または1気圧(1atm)の中立圧力まで、収縮ブラダを膨張させる。

密閉内側チャンバを形成する少なくとも1つの壁を有する、構造を提供する、製造品が開示され、(i)密閉内側チャンバは、圧力下のガスで充填されるか、または(ii)ガスで充填される膨張ブラダは、密閉内側チャンバ内に位置するかのいずれかであり、もしくは(iii)収縮位置にあるブラダは、密閉内側チャンバ内に位置し、収縮ブラダは、センサから信号を受信すると、収縮ブラダを膨張させるようにガスを産生する、膨張システムを有し、センサは、随意に、コンピュータプロセッサにリンクされ、または(iv)密閉内側チャンバは、付加的な添加ガスを有していないが、1atm標準正常圧力にあり、センサから信号を受信すると、内側チャンバを加圧するようにガスを産生する、膨張システムを有し、センサは、随意に、コンピュータプロセッサにリンクされる。

本発明の他の実施形態は、密閉内側チャンバを形成する少なくとも1つの壁を有する、構造を備える、向上した重量対強度比を有する製造品を形成するステップと、向上した重量対強度比を有する製造品を作製するために、密閉される前に内側チャンバにガスを挿入するステップとを含む、向上した重量対強度比を有する製造品を作製する方法を提供する。好ましくは、本方法は、密閉内側チャンバが、圧力下でチャンバ内にガスを有することを含む。より好ましくは、本方法は、ガスを有する密閉内側チャンバの圧力が、陽圧または約1気圧の中立圧力のいずれか一方であることを含む。本発明の好ましい実施形態では、本明細書に説明されるような製造品を作製する方法はさらに、ポートを密閉内側チャンバに提供するステップを含み、ポートは、密閉内側チャンバの少なくとも1つの壁の少なくとも1つの開口部を通って延在する、一方の端部(すなわち、第1の端部)を有し、ポートは、弁が開放位置にあるときに、内側チャンバの中へのガスの添加を可能にし、または内側チャンバから外へのガスの漏出を可能にする、弁を有する。本方法は、好ましくは、構造の壁の外部にあるポートの一方の端部の一部を有する、ポートを提供するステップを含み、ポートの一方の端部の一部は、ガスを受容するための管の第1の端部に適応する。本方法はさらに、好ましくは、密閉内側チャンバ内の該ガスの圧力を監視するための密閉内側チャンバ内に位置する1つまたはそれを上回るセンサを提供するステップを含む。より好ましくは、本方法は、密閉内側チャンバ内のガスの圧力を監視するために、センサのうちの1つまたはそれを上回るものを内側チャンバの壁の内部に搭載するステップを含む。製造品を作製する本方法の別の実施形態は、密閉内側チャンバ内の圧力に関して、データをコンピュータプロセッサに伝送するためのセンサを提供するステップを含む。本発明のさらに別のより好ましい実施形態では、製造品を作製する方法は、センサのうちの1つまたはそれを上回るものからコンピュータプロセッサに伝送されるデータを受信するためのコンピュータプロセッサを提供するステップと、コンピュータインターフェースをコンピュータプロセッサに提供するステップとを含み、コンピュータインターフェースは、圧縮機またはガス貯蔵シリンダおよびポートの弁にリンクされ、圧縮機またはガス貯蔵シリンダは、管の第1の端部と通信し、管の第2の端部は、ポートの一方の端部の一部(すなわち、ポートの第1の端部の一部)と通信し、コンピュータプロセッサは、管を通してガスを送信する、圧縮機またはガス貯蔵シリンダの起動、および管の第2の端部からポートの開放弁を通して密閉内側チャンバの中へガスが流動することを可能にするための閉鎖位置から開放位置への弁の起動によって、圧力を内側チャンバ内で所望のレベルに調節または維持する。

本発明の別の実施形態は、内側チャンバを形成するための少なくとも1つの壁を有する、構造を提供するステップと、内側チャンバ内に密閉ブラダを挿入するステップと、向上した重量対強度比を有する製造品を作製するためのブラダを有する、密閉内側チャンバを形成するために、内側チャンバ内に位置するブラダを有する、構造の内側チャンバを密閉するステップとを含む、向上した重量対強度比を有する製造品を作製する方法を提供する。本明細書に説明されるような本発明の本方法のさらなる実施形態では、本方法は、ブラダを密閉するステップに先立って、および内側チャンバに密閉ブラダを挿入するステップに先立って、ブラダ内にガスを配置するステップを含む。好ましくは、本作製方法は、密閉ブラダの中で圧力下のガスを提供するステップを含む。より好ましくは、本作製方法は、密閉ブラダ内で、陽圧または約1気圧の中立圧力のいずれか一方においてガスを提供するステップを含む。本明細書に説明されるような製造品を作製する本方法の別の実施形態では、本方法はさらに、密閉ブラダの壁内に位置するポートを提供するステップを含み、ポートは、密閉ブラダの壁の少なくとも1つの開口部を通って、および構造の密閉内側チャンバの少なくとも1つの壁内の少なくとも1つの開口部を通って延在する、一方の端部(すなわち、第1の端部)を有し、ポートは、密閉ブラダの中へのガスの添加を可能にし、または密閉ブラダから外へのガスの漏出を可能にする、弁を有し、ポートは、密閉ブラダの壁の開口部および構造の内側チャンバの壁の開口部と密閉係合している。本方法はさらに、構造の壁の開口部の外部にある一方の端部の一部(すなわち、ポートの第1の端部の一部)を有する、ポートを提供するステップを含み、ポートの一方の端部の一部(すなわち、構造外部にあるポートの第1の端部の一部)は、ガスを受容するための管の第1の端部に適応する。本方法の好ましい実施形態では、本方法は、密閉内側チャンバ内のガスの圧力を監視するための密閉内側チャンバ内に位置する1つまたはそれを上回るセンサを提供するステップを含む。より好ましくは、本方法は、密閉内側チャンバ内のガスの圧力を監視するために、センサのうちの1つまたはそれを上回るものを内側チャンバの壁の内部に搭載するステップを含む。センサは、密閉内側チャンバ内の圧力に関して、データをコンピュータプロセッサに伝送する。製造品を作製する方法の最も好ましい実施形態では、本明細書に説明されるような方法はさらに、センサのうちの1つまたはそれを上回るものからコンピュータプロセッサに伝送されるデータを受信するためのコンピュータプロセッサを提供するステップと、コンピュータインターフェース(リンク)をコンピュータプロセッサに提供するステップとを含み、コンピュータプロセッサのインターフェースは、圧縮機またはガス貯蔵シリンダおよびポートの弁にリンクされ、圧縮機またはガス貯蔵シリンダは、管の第1の端部と通信し、管の第2の端部は、ポートの少なくとも一方の端部の一部(すなわち、ポートの第1の端部の一部)と通信し、コンピュータプロセッサは、弁が開放位置にあるときに、管を通してポートの一方の端部(すなわち、ポートの第1の端部)の中へ、およびポートの弁を通して(陽圧または約1気圧(1atm)の中立圧力下の)ガスを送信する、(ガスを有する)圧縮機または(ガスを有する)ガス貯蔵シリンダの起動によって、圧力を内側チャンバのブラダ内で所望のレベルに調節または維持し、弁は、コンピュータプロセッサによって、開放または閉鎖位置のいずれかで起動され、管の第2の端部からポートの開放弁を通して密閉内側チャンバの密閉ブラダの中へガスが流動することを可能にする。本方法は、随意に、密閉内側チャンバ内に位置する1つまたはそれを上回るセンサ、ならびに密閉内側チャンバ、密閉ブラダ、または内側チャンバおよび密閉ブラダの圧力を監視するための密閉ブラダ内に位置する1つまたはそれを上回るセンサを提供するステップを含む。

本発明の他の実施形態は、本発明の製造品が、例えば、自動車、トラック、工業機器、鉄道車両、ボート、航空機、自転車、一輪車、三輪車、デバイス、フレーム、建設構成要素、電子構成要素、包装、および武器から成る群から選択される、1つまたはそれを上回る選択された物品を含むが、それらに限定されないものを提供する。

本発明は、所与の構造の(A)構造費用対標的安全性能比、および/または(B)エネルギー効率/利用対標的性能比、ならびに/もしくは(C)構造費用対標的電力性能比に対して、重量対強度比の問題を解決または低減する。

本発明は、工学的強度仕様要件に関係付けられる所与の構造の重量を低減させるという、ある場合にはオプションの相対的費用に関係付けられる、現在の技術的限界の問題を解決または低減する。低重量対所与の性能の比の利点に対する本発明の使用は、例えば、限定されないが、(削除:「車両以外の」)以下の分野で達成されることができる。

−車両(車、トラック、飛行機、ボート等のみに限定されない)に関係付けられる構造問題、つまり、所与の単位あたりのエネルギー利用および/または安全性のための政府によって義務付けられた規制/基準((1)マイル/ガロン、すなわち、mpg、(2)衝突試験基準、および(3)性能仕様に限定されない実施例)を満たすためのより頑丈でより費用効果的な構造。

−いくつか例を挙げると、建造物、車両、携帯用電子デバイス、輸送包装、輸送コンテナ、スポーツ機器(実施例:自転車、ゴルフクラブ、ゴルフボール、野球のバット等)等に限定されない、構造問題は、載荷重対強度比を満たすように、付加的原材料を加えた各自の非載荷重を支持するために、付加的原材料を必要とするという問題を有する。より軽量の構造は、同一の荷重要件を満たすように、より少ない材料を加えた非荷重構造自体の設計側面のみを取り扱うために、より少ない材料を必要とする。

−所与の重量対強度比の現在の構造および/または構成要素の費用に関係付けられる輸送問題は、該構造および/または構成要素が、輸送キャリアの所望のエネルギー利用/費用効率もさらに増加させるであろう、単位あたりの比較的低い重量対強度比を有し得る場合に、輸送キャリアおよびその顧客の両方の輸送費用観点から利益を得るであろう。

従来、強度を増加させるように材料の量を増加させることは、元の強度目標のために必要とされる余分な材料を支持するためだけに、より多くの材料を必要とすることももたらす。本発明の使用は、例えば、限定されないが、向上した安全性、燃料走行可能距離、性能、および強度基準を達成しながら、より低い重量およびより低い製造費用を有する、改良型車両設計を提供する。

図1は、本発明のHPESTチャンバの有限要素メッシュおよび印加された圧力を説明する。

図2は、圧力・時間履歴を説明する。

図3は、本発明のHPESTチャンバの有限要素モデルおよび空気を説明する。

図4は、破損荷重および空気内圧の関係を説明する。

図5は、破損時のインパルスおよび空気内圧の関係を説明する。

図6は、破損前の本発明のHPESTチャンバにおける有効塑性歪みを説明する(同伴空気なし)。

図7は、破損前の本発明のHPESTチャンバにおけるミーゼス有効応力を説明する(同伴空気なし)。

図8は、同伴空気がない、本発明のHPESTチャンバの完全圧潰を説明する。

図9は、破損前の本発明のHPESTチャンバにおける有効塑性歪みを説明する(1atm)。

図10は、破損前の本発明のHPESTチャンバにおけるミーゼス有効応力を説明する(1atm)。

図11は、本発明のHPESTチャンバの内側の空気の内圧を説明する(1atm)。

図12は、1atm内圧における本発明のHPESTチャンバの破損を説明する。

図13は、破損前の本発明のHPESTチャンバにおける塑性歪みを説明する(10atm)。

図14は、破損前の本発明のHPESTチャンバにおけるミーゼス有効応力を説明する(10atm)。

図15は、破損前の本発明のHPESTチャンバの内側の空気の内圧を説明する(10atm)。

図16は、10atm内圧における本発明のHPESTチャンバの破損を説明する。

図17は、破損直前の本発明のHPESTチャンバにおける塑性歪みを説明する(12atm)。

図18は、破損前の本発明のHPESTチャンバにおけるミーゼス有効応力を説明する(12atm)。

図19は、破損前の本発明のHPESTチャンバの内側の空気の内圧を説明する(12atm)。

図20は、高圧増進構造技術「HPEST」の本発明の種々の実施形態のアルゴリズムを示す。

図21は、本発明の製造品の好ましい実施形態を示す。

本明細書で使用されるように、「高圧」または「陽圧」という用語は、1気圧(1atm)を上回る圧力、好ましくは、1気圧を上回る圧力から20気圧の圧力(20atm)、および300気圧の圧力(300atm)までを含む、圧力を指す。「中立圧力」という用語は、約ゼロ(0)気圧から約1気圧(1atm)の圧力を指す。

図21に示されるように、本発明は、密閉内側チャンバ(7)を形成する少なくとも1つの壁(5)を有する、構造(3)と、構造(3)の重量対強度比を向上させるための密閉内側チャンバ(7)内に位置するガス(図21では示されていない)とを備える、向上した重量対強度比を有する製造品(図21の参照数字「1」によって識別される)を提供する。好ましくは、本密閉内側チャンバ(7)は、圧力下で内側チャンバ内(7)にガスを有する。より好ましくは、本製造品は、密閉内側チャンバ(7)の圧力が、陽圧または約1気圧の中立圧力のいずれか一方であることを含む。本発明の最も好ましい実施形態では、本明細書に説明されるような製造品(1)は、密閉内側チャンバ(7)が、少なくとも1つのポート(9)を含有し、ポート(9)が、密閉内側チャンバ(7)を形成する少なくとも1つの壁(5)の少なくとも1つの開口部(図21では示されていない)を通って延在する、一方の端部(11)を有し、ポート(9)が、内側チャンバ(7)の中へのガスの添加を可能にし、または内側チャンバ(7)から外へのガスの漏出を可能にする、弁(13)を有し、ポート(9)が、構造(3)の少なくとも1つの壁(5)内に位置する開口部(図21では示されていない)と密閉係合していることを含む。本明細書に説明されるような本発明の別の実施形態では、製造品(1)は、ポート(9)が、構造(3)の壁(5)の外部にある一方の端部(14)(すなわち、第1の端部)を有し、ポート(9)の一方の端部(14)が、ポート(9)の一方の端部(14)と密閉係合している管(17)の第1の端部(15)に適応し、管(17)が、第2の端部(19)を有し、管(17)の第2の端部(19)が、(示されていないガスを有する)圧縮機またはガス貯蔵シリンダの出口(21)に適応し、圧縮機またはガス貯蔵シリンダ(20)の出口(21)が、管(17)の第2の端部(19)と密閉係合し、弁(13)が開放位置にあり、かつ内側チャンバ(7)の中へあるとき、圧縮機またはガス貯蔵シリンダ(20)が、管(17)を通して管(17)からポート(9)の中へ、およびポート(9)の弁(13)を通して、圧力下のガスを供給することを含む。

図21に記載されるように、本発明の製造品の別の実施形態が、本明細書に説明されるように示され、製造品(1)は、密閉内側チャンバ(7)内に位置する密閉ブラダ(23)を有し、密閉ブラダ(23)は、ガス(図21では示されていない)を含有する。好ましくは、本明細書に説明されるような製造品(1)は、圧力下のガスを伴う密閉ブラダ(23)を有する。密閉ブラダ(23)の圧力は、陽圧または約1気圧の中立圧力のいずれか一方である。本発明の最も好ましい実施形態では、本明細書に説明されるような請求項の製造品は、密閉ブラダ(23)の壁(29)の少なくとも1つの開口部(図21では示されていない)を通って、および密閉内側チャンバ(7)の内部容積空間の少なくとも一部を通って延在する、ポート(9)の第2の端部(25)の少なくとも一部を有する、密閉ブラダ(23)を有し、(随意に、少なくとも1つの弁(31)を有し得る)ポート(9)の第2の端部(25)では、弁13(および31)は、密閉ブラダ(23)の中へのガスの添加を可能にし、または密閉ブラダ(23)から外へのガスの漏出を可能にし、ポート(9)は、密閉ブラダ(23)の壁(29)の開口部と、または密閉内側チャンバ(7)の壁(5)の開口部と、もしくは密閉ブラダ(23)の壁(29)の開口部および密閉内側チャンバ(7)の壁(5)の開口部と密閉係合している。図21の参照数字27は、密閉ブラダ(23)の壁(29)と密閉係合しているポート9の第2の端部(25)の一部を示す。図21の参照数字11は、密閉ブラダ(23)の外部にあるポート(9)の一部を示す。

本発明の別の実施形態は、本明細書に説明されるような製造品を提供し、製造品(1)はさらに、ポート(9)の一方の端部(14)が、内側チャンバ(7)の壁(5)内の開口部(図21では示されていない)を通って延在し、ポート(9)の一方の端部(14)が、管(17)の第1の端部(15)に適応し、管(17)の第1の端部(15)が、ポート(9)の一方の端部(14)と密閉係合し、管(17)が、第2の端部(19)を有し、管(17)の第2の端部(19)が、圧縮機またはガス貯蔵シリンダ(20)の出口(21)に適応し、圧縮機またはガス貯蔵シリンダ(20)の出口(21)が、管(17)の第2の端部(19)と密閉係合し、弁(13)、(31)が開放位置にあり、かつ密閉ブラダ(23)の中へあるとき、圧縮機またはガス貯蔵シリンダ(20)が、管(17)を通してポート(9)の中へ、およびポート(9)の少なくとも1つの弁(13)、(31)を通して、圧力下のガスを供給することを含む。

図21に示されるように、本発明の別の実施形態は、密閉内側チャンバ(7)内のガスの圧力を監視するための密閉内側チャンバ(7)内に位置する1つまたはそれを上回るセンサ(35)を含む、本明細書に説明されるような製造品を提供する。好ましくは、1つまたはそれを上回るセンサ(33)は、密閉ブラダ(23)内の圧力を監視するために密閉ブラダ(23)内に位置する。より好ましくは、本明細書に説明されるような製造品(1)は、1つまたはそれを上回るセンサ(33)が、密閉ブラダ(23)内の圧力を監視するために密閉ブラダ(23)内に位置し、1つまたはそれを上回るセンサ(35)が、密閉内側チャンバの圧力を監視するために密閉内側チャンバ(7)内に位置することを含む。

図21に示されるように、本発明のさらに別の実施形態は、密閉ブラダ(23)もしくは密閉内側チャンバ(7)内に位置する1つまたはそれを上回るセンサ(33、35)、もしくは密閉内側チャンバ(7)および密閉ブラダ(23)内に位置するセンサ(33、35)の組み合わせから、コンピュータプロセッサ(37)に伝送される、データを受信するためのコンピュータプロセッサ(37)を含む、本明細書に説明されるような製造品(1)を提供し、コンピュータプロセッサは、圧縮機またはガス貯蔵シリンダ(20)およびポート(9)の弁(13、31)とインターフェース接続(リンク)され、コンピュータプロセッサ(37)は、圧縮機またはガス貯蔵シリンダ(20)の起動およびポート(9)の弁(13、31)の開閉によって、圧力を内側チャンバ(7)および密閉ブラダ(23)内で所望のレベルに調節または維持する。

本発明の別の実施形態は、密閉内側チャンバを形成する少なくとも1つの壁を有する、構造と、密閉内側チャンバ内に位置する、収縮位置にあるブラダとを備える、向上した重量対強度比を有する製造品を提供し、収縮ブラダは、センサから信号を受信すると、収縮ブラダを膨張させるようにガスを産生する、膨張システムを有し、センサは、収縮ブラダと通信し、センサは、構造内に位置するか、または構造の外部に位置するかのいずれかであり、センサは、随意に、コンピュータプロセッサと通信している。好ましくは、センサは、密閉内側チャンバの外部または密閉内側チャンバ内のいずれかに位置する。本明細書に説明されるような本製造品のより好ましい実施形態では、膨張システムは、固体推進剤と、点火器とを備える。点火器は、固体推進剤にガスを産生させる信号をセンサから受信し、ガスは、陽圧下の膨張エアバッグまで、または1気圧の中立圧力まで収縮エアバッグを膨張させる。最も好ましい実施形態では、本明細書に説明されるような製造品は、固体推進剤が、例えば、アジ化ナトリウム(NaN3)および硝酸カリウム(KNO3)であることを含む。製造品の本最も好ましい実施形態では、点火器は、窒素ガスを産生するように、アジ化ナトリウム(NaN3)および硝酸カリウム(KNO3)の固体推進剤を反応させる、信号をセンサから受信し、窒素ガスは、圧力、最も好ましくは、陽圧下の膨張ブラダまで、または1気圧(1atm)の中立圧力まで、収縮ブラダを膨張させる。

密閉内側チャンバを形成する少なくとも1つの壁を有する、構造を提供する、製造品が開示され、(i)密閉内側チャンバは、圧力下のガスで充填されるか、または(ii)ガスで充填される膨張ブラダは、密閉内側チャンバ内に位置するかのいずれかであり、もしくは(iii)収縮位置にあるブラダは、密閉内側チャンバ内に位置し、収縮ブラダは、センサから信号を受信すると、収縮ブラダを膨張させるようにガスを産生する、膨張システムを有し、センサは、随意に、コンピュータプロセッサにリンクされ、または(iv)密閉内側チャンバは、付加的な添加ガスを有していないが、1atm標準正常圧力にあり、センサから信号を受信すると、内側チャンバを加圧するようにガスを産生する、膨張システムを有し、センサは、随意に、コンピュータプロセッサにリンクされる。

本発明の他の実施形態は、密閉内側チャンバを形成する少なくとも1つの壁を有する、構造を備える、向上した重量対強度比を有する製造品を形成するステップと、向上した重量対強度比を有する製造品を作製するために、密閉される前に内側チャンバにガスを挿入するステップとを含む、向上した重量対強度比を有する製造品を作製する方法を提供する。好ましくは、本方法は、密閉内側チャンバが、圧力下で内側チャンバ内にガスを有することを含む。より好ましくは、本方法は、ガスを有する密閉内側チャンバの圧力が、陽圧または約1気圧の中立圧力のいずれか一方であることを含む。本発明の好ましい実施形態では、本明細書に説明されるような製造品を作製する方法はさらに、ポートを密閉内側チャンバに提供するステップを含み、ポートは、密閉内側チャンバの少なくとも1つの壁の少なくとも1つの開口部を通って延在する、一方の端部(すなわち、第1の端部)を有し、ポートは、弁が開放位置に配置されるときに、内側チャンバの中へのガスの添加を可能にし、または内側チャンバから外へのガスの漏出を可能にする、弁を有する。本方法は、好ましくは、構造の壁の外部にあるポートの一方の端部の一部を有する、ポートを提供するステップを含み、ポートの一方の端部の一部は、ガスを受容するための管の第1の端部に適応する。本方法はさらに、好ましくは、密閉内側チャンバ内の該ガスの圧力を監視するための密閉内側チャンバ内に位置する1つまたはそれを上回るセンサを提供するステップを含む。より好ましくは、本方法は、密閉内側チャンバ内のガスの圧力を監視するために、センサのうちの1つまたはそれを上回るものを内側チャンバの壁の内部に搭載するステップを含む。製造品を作製する本方法の別の実施形態は、密閉内側チャンバ内の圧力に関して、データをコンピュータプロセッサに伝送するためのセンサを提供するステップを含む。本発明のさらに別のより好ましい実施形態では、製造品を作製する方法は、センサのうちの1つまたはそれを上回るものからコンピュータプロセッサに伝送されるデータを受信するためのコンピュータプロセッサを提供するステップと、コンピュータインターフェースをコンピュータプロセッサに提供するステップとを含み、コンピュータインターフェースは、圧縮機またはガス貯蔵シリンダおよびポートの弁にリンクされ、圧縮機またはガス貯蔵シリンダは、管の第1の端部と通信し、管の第2の端部は、ポートの一方の端部の一部(すなわち、ポートの第1の端部の一部)と通信し、コンピュータプロセッサは、管を通してガスを送信する、圧縮機またはガス貯蔵シリンダの起動、および管の第2の端部からポートの開放弁を通して密閉内側チャンバの中へガスが流動することを可能にするための閉鎖位置から開放位置への弁の起動によって、圧力を内側チャンバ内で所望のレベルに調節または維持する。

本発明の別の実施形態は、内側チャンバを形成するための少なくとも1つの壁を有する、構造を提供するステップと、内側チャンバ内に密閉ブラダを挿入するステップと、向上した重量対強度比を有する製造品を作製するためのブラダを有する、密閉内側チャンバを形成するために、内側チャンバ内に位置するブラダを有する、構造の内側チャンバを密閉するステップとを含む、向上した重量対強度比を有する製造品を作製する方法を提供する。本明細書に説明されるような本発明の本方法のさらなる実施形態では、本方法は、ブラダを密閉するステップに先立って、および内側チャンバに密閉ブラダを挿入するステップに先立って、ブラダ内にガスを配置するステップを含む。好ましくは、本作製方法は、密閉ブラダの中で圧力下のガスを提供するステップを含む。より好ましくは、本作製方法は、密閉ブラダ内で、陽圧または約1気圧の中立圧力のいずれか一方においてガスを提供するステップを含む。本明細書に説明されるような製造品を作製する本方法の別の実施形態では、本方法はさらに、密閉ブラダの壁内に位置するポートを提供するステップを含み、ポートは、密閉ブラダの壁の少なくとも1つの開口部を通って、および構造の密閉内側チャンバの少なくとも1つの壁内の少なくとも1つの開口部を通って延在する、一方の端部(すなわち、第1の端部)を有し、ポートは、密閉ブラダの中へのガスの添加を可能にし、または密閉ブラダから外へのガスの漏出を可能にする、弁を有し、ポートは、密閉ブラダの壁の開口部および構造の内側チャンバの壁の開口部と密閉係合している。本方法はさらに、構造の壁の開口部の外部にある一方の端部の一部(すなわち、ポートの第1の端部の一部)を有する、ポートを提供するステップを含み、ポートの一方の端部の一部(すなわち、構造外部にあるポートの第1の端部の一部)は、ガスを受容するための管の第1の端部に適応する。本方法の好ましい実施形態では、本方法は、密閉内側チャンバ内のガスの圧力を監視するための密閉内側チャンバ内に位置する1つまたはそれを上回るセンサを提供するステップを含む。より好ましくは、本方法は、密閉内側チャンバ内のガスの圧力を監視するために、センサのうちの1つまたはそれを上回るものを内側チャンバの壁の内部に搭載するステップを含む。センサは、密閉内側チャンバ内の圧力に関して、データをコンピュータプロセッサに伝送する。製造品を作製する方法の最も好ましい実施形態では、本明細書に説明されるような方法はさらに、センサのうちの1つまたはそれを上回るものからコンピュータプロセッサに伝送されるデータを受信するためのコンピュータプロセッサを提供するステップと、コンピュータインターフェース(リンク)をコンピュータプロセッサに提供するステップとを含み、コンピュータプロセッサのインターフェースは、圧縮機またはガス貯蔵シリンダおよびポートの弁にリンクされ、圧縮機またはガス貯蔵シリンダは、管の第1の端部と通信し、管の第2の端部は、ポートの少なくとも一方の端部の一部(すなわち、ポートの第1の端部の一部)と通信し、コンピュータプロセッサは、弁が開放位置にあるときに、管を通してポートの一方の端部(すなわち、ポートの第1の端部)の中へ、およびポートの弁を通して(陽圧または約1気圧(1atm)の中立圧力下の)ガスを送信する、(ガスを有する)圧縮機または(ガスを有する)ガス貯蔵シリンダの起動によって、圧力を内側チャンバのブラダ内で所望のレベルに調節または維持し、弁は、コンピュータプロセッサによって、開放または閉鎖位置のいずれかで起動され、管の第2の端部からポートの開放弁を通して密閉内側チャンバの密閉ブラダの中へガスが流動することを可能にする。本方法は、随意に、密閉内側チャンバ内に位置する1つまたはそれを上回るセンサ、ならびに密閉内側チャンバ、密閉ブラダ、または内側チャンバおよび密閉ブラダの圧力を監視するための密閉ブラダ内に位置する1つまたはそれを上回るセンサを提供するステップを含む。

本発明の他の実施形態は、本発明の製造品が、例えば、自動車、トラック、工業機器、鉄道車両、ボート、航空機、自転車、一輪車、三輪車、デバイス、フレーム、建設構成要素、電子構成要素、包装、および武器から成る群から選択される、1つまたはそれを上回る選択された物品を含むが、それらに限定されないことを提供する。

上記で記述されるように、本発明は、所与の構造の(A)構造費用対標的安全性能比、および/または(B)エネルギー効率/利用対標的性能比、ならびに/もしくは(C)構造費用対標的電力性能比に対して、重量対強度比の問題を解決および/または低減する。本発明は、工学的強度および全ての他の工学的要件に関係付けられる所与の構造の重量を低減させるという、ある場合にはオプションの相対的費用に関係付けられる、現在の技術的限界の問題を解決および/または低減する。

本発明は、限定されないが、例えば、より低い重量対所与の性能比を達成し、したがって、車両および車両の構成部品での使用に加えて、以下のような多くの用途の分野で有利である。

−車両(車、トラック、飛行機、ボート等のみに限定されない)に関係付けられる構造問題、つまり、所与の単位あたりのエネルギー利用および/または安全性のための政府によって義務付けられた規制/基準((1)マイル/ガロン、すなわち、mpg、(2)衝突試験基準、および(3)性能仕様に限定されない実施例)を満たすためのより頑丈でより費用効果的な構造。

−いくつか例を挙げると、建造物、車両、携帯用電子デバイス、輸送包装、輸送コンテナ、スポーツ機器(実施例:自転車、ゴルフクラブ、ゴルフボール、野球のバット等)等に限定されない、構造問題は、載荷重対強度比を満たすように、付加的原材料を加えた各自の非載荷重を支持するために、付加的原材料を必要とするという問題を有する。より軽量の構造は、同一の荷重要件を満たすように、より少ない材料を加えた非荷重構造自体の設計側面のみを取り扱うために、より少ない材料を必要とする。

−所与の重量対強度比の現在の構造および/または構成要素の費用に関係付けられる輸送問題は、該構造および/または構成要素が、輸送キャリアの所望のエネルギー利用/費用効率もさらに増加させるであろう、単位あたりの比較的低い重量対強度比を有し得る場合に、輸送キャリアおよびその顧客の両方の輸送費用観点から利益を得るであろう。本発明は、これらの前述の問題の全てを解決する。

高圧増進構造技術(以降では「HPEST」または「HPESTシステム」と称される)の本発明は、他の既存の技術よりもエネルギー効率的である、劇的により頑丈で安全な保護する構造をもたらす、殆どゼロの構造重量の増加を伴って構造強度を著しく増加させる。本発明の用途は、付加的エネルギーおよび/または性能費用を伴わずに義務的安全性基準を満たす、または超えるものとする。本発明の一実施形態では、HPESTは、所与の用途のために設計される、中空領域を占有するガス/空気ブラダを伴う(限定されないが、例えば、加圧のための1つ/複数のガスの急速膨張をもたらす、バルーンもしくはゴム内側管、および/または必要に応じて展開された「エアバッグ」様爆破デバイスとともに)中空密閉構造または中空構造を提供し、同一の所与の用途のために設計される、はるかに重いより原材料集約的な構造の強度特性に類似するように構造の強度特性が増進される、ガス状分子(実施例:空気、窒素、混合ガス等)を内部に伴って上昇した圧力の工学的範囲に導入される。従来の自動車ハンドル「エアバッグ」システムでは、バッグ自体は、薄いナイロン織物で作製され、センサデバイスがバッグに膨張するように命じる。膨張は、電気接点を閉鎖する質量シフトがあるときに機械的スイッチがオンにされると起こり、展開可能な事象が起こったことをセンサに告げる。従来の自動車「エアバッグシステム」では、センサは、マイクロチップに内蔵された加速度計から情報を受信する。例えば、自動車のエアバッグの膨張システムは、窒素ガスを産生するようにアジ化ナトリウム(NaN3)を硝酸カリウム(KNO3)と反応させる。窒素の高温ブラストは、エアバッグを膨張させる。膨張システムは、固体推進剤インフレータおよび点火器(「爆発システム」)を使用する。自動車エアバッグシステムは、大量のガスを生成してバッグを膨張させるように極めて急速に燃焼する、固体推進剤に点火する。次いで、バッグは、最大200mph(322kph)でその格納位置から膨張する。自動車エアバッグシステムでは、次いで、ガスは、バッグ内の小さな孔を通って迅速に消散し、したがって、バッグを収縮させる。

HPESTの利益はまた、ナノ構造にも適用される(ナノHPEST加工は、強度パラメータのために特異的に設計された陽圧環境、または(熱、電場、圧力(音、大気等)等からの)工学的絶縁緩衝パラメータ(すなわち、マイクロチップ、電気等の用途)のための陰圧環境を必要とし得る)。

記載される本発明は、現在存在するものと異なる。所与の構造の安全性および/または強度を増加させる従来の方法は、政府安全性/効率基準を満たすために必要とされる強度を達成するように、より多くの材料重量を追加することである。HPESTの利点は、代替的な方法と比較してより低い製造費用で、より安全で頑丈な車両/構造においてより良好な効率/走行可能距離を維持する、実際の重量増加を事実上伴わずに基準を満たす、または超える密閉構造内の加圧ガスによって、同量の材料が、極めてより頑丈に作製される。

本発明は、現在存在するものの改良である。所与の構造の安全性および/または強度を増加させる従来の方法は、政府安全性/効率基準を満たすために必要とされる強度を達成するように、より多くの材料重量を追加することである。HPESTの利点は、代替的な当技術分野で公知の方法と比較してより低い製造費用で、より安全で頑丈な車両/構造においてより良好な効率/走行可能距離を維持する、実際の重量増加を事実上伴わずに基準を満たす、または超える密閉構造内の加圧ガスによって、同量の材料が、極めてより頑丈に作製される。

材料を追加することによって安全性基準を達成する既存の公知の方法は、所与の車両における燃料走行可能距離を低下させ、そうすることにより、より高い重量、より高い製造費用、および燃料走行可能距離費用の増加をもたらす。本発明の製造品を使用することは、所与の車両設計が、同一またはより良好な安全性、燃料走行可能距離、性能、および強度基準を達成しながら、より低い重量、より低い製造費用にとどまることを提供する。

本発明(HPEST)は、所与の構造のより強い強度、より低い重量、エネルギー節約(新しい法律によって命じられる)、より少ない材料、およびより低い費用の利点から利益を得るであろう、無数の市場用途で利用されてもよい。HPESTの市場用途は、例えば、以下を含むが、それらに限定されない。

自動車産業:強度等を増進するための様々な材料の密閉内部として、安全ケージ、サイドドア安全ビーム、座席フレーム、付属接続ロッド、ダッシュ支持構造、バンパ、車輪、駆動軸、ボックス状フレーム、車軸、一般懸架構成要素に組み込まれる 航空宇宙:着陸装置、一般統合飛行機械構造アセンブリ、プロペラおよびタービン翼、内部等に限定されない 建設:建造物、橋、塔、トンネル等の中の殆どの構造システムに限定されない 電子機器:標準およびナノ一般用途利益、より軽量で良好な(熱、電場、圧力(音、大気等)等からの)絶縁緩衝構成要素等に限定されない 軍事:限定されないが、一時的建造物、武器、機械、車両等を加えた上記の用途 (本発明のHPESTの好ましい実施例) 1.組立中に加圧されて恒久的に密閉され、および/またはシステムの寿命にわたって周期的に圧力を再充填するための弁を介して加圧される、ボックス状密閉金属車両構造、ならびに/もしくは強度のためにガスを添加する1つ/複数の内蔵自動圧縮機、および/または差し迫った衝突等の追加構造強度の予測必要の直前に該構造を加圧する、所与の構造内の再充填可能ならびに/もしく交換可能なエアバッグ型急速ガス化デバイス、および/または差し迫った衝突等の追加構造強度の予測必要の直前に1つ/複数の該構造を加圧する、所与の構造内にある、ならびに/もしくは集中型である、充填可能および/または交換可能な極度高圧ガス貯蔵デバイス、例えば、限定されないが、ガスシリンダ(実施例:いくつかの車両で現在使用されている自動ブレーキ装置に酷似のもの)。本節および関連節内の全てのシステムは、1つ/複数のより大きい構造単位等の一部である、各所与の加圧構造の上/中の中心に位置するか、または統合されるかのいずれかである、付加的圧力管/筐体、ガス圧縮機/プロセッサを必要とするであろう。全ての関連システムで加圧のために使用されるガスのタイプは、圧縮「空気」または分離された元素、例えば、限定されないが、窒素であり得る。窒素が、例えば、車のタイヤで使用されるときに、「空気」と同じくらい迅速に所与の構造から漏出する可能性が低い、より大きい分子サイズを有するため、窒素のようなガスが好ましい。ガスのタイプおよび識別は、工学的構成要素に応じて、かつ所与のシステム設計の必要性に応じて選択される。

2.追加強度のために内側で加圧ガスを保持するように密閉挿入ガスブラダを有する、ボックス状密閉構造。

3.構成要素の間の関係: 上記ならびに実施例1および2で説明される、個々のサブシステムのための方法のうちのいずれかは、所与の構造全体システム内で、独立して、または必要に応じて使用されてもよい。

4.HPESTの種々の用途: 車/トラックの実施例を使用するために、本発明のボックス状加圧構造は、車室の周囲のケージ、車室から車両の前部および後部まで、次いで、車両の極前部および後部における車両ボックス状構造の左側から右側の構造レールのような構造であってもよいが、それらに限定されない。例えば、限定されないが、飛行機、ボート、自転車、建造物、電子デバイス等において追加強度を必要とするであろう、任意の分野で、HPESTも適用され得る。

手動で、または圧力センサを用いて管理されることができる圧力は、+/−に調節される必要があるその圧力を変化させること、または自動的に圧力を+/−に調節することのいずれかによって、必要圧力を監視して必要強度特性を維持するように、所与の車両内の各独立加圧ユニットの中にある必要があり得る。これらのパラメータは、独立専用コンピュータシステムによって管理され、および/または事前プログラムされ、遠隔管理/更新され、ならびに/もしくは人工知能によって管理/更新されるような車両中央コンピュータシステムによって管理され、および/または遠隔管理実施例のためにクラウドシステム、携帯電話アプリケーション、家庭/製造業者のコンピュータから遠隔で管理/更新されてもよい。

5.本発明の製造品の作製 孔がなく完全に密閉されることを除いて、打抜/成形材料の正常な接合の車/トラックの実施例を再び使用すると、ボックス状領域が加圧されることができる。加圧ガスを保持するようにブラダを挿入する場合、準備として、該ブラダの挿入、次いで、強度を最大限にするように材料内に入れることを可能にする必要があり得るが、別個のブラダは、該ブラダの具体的強度仕様に応じて完全にカプセル化される必要がなくてもよい。圧力は、手動で監視されてもよく、または圧力監視センサ/デバイスが、各所与の構造サブシステム内の圧力の変化による強度の変化について警告するように、各別個の加圧構造の中に設置されてもよい。中央圧縮機または極度高圧ガス源が、管類、ホース等によって、全体構造内の各別個のサブ構造に接続される必要があり、および/または同一の該システムが、差し迫った衝突等の追加構造強度の予測必要の直前に構造特有の工学的圧力まで該構造を加圧するように、所与の構造内の各個別サブ構造ならびに/もしくは構造および/または交換可能なエアバッグ型急速ガス化膨張デバイスに独立して取り付けられる必要があろう。

密閉ボックス状領域が、必要とされる。加圧ガスがどれだけ良好に維持されることができるかに応じて、必要に応じて付加的ガスで再加圧する方法の必要性を設定するであろう。多くの場合、内蔵圧縮機および密閉ボックス状区分への必要な配管が、上記で説明されるように必要とされるであろう。

車両(車/トラック)全体システムの実施例/モデルは、車両全体、全体的ユニボディ構造内にサブシステムを伴うユニボディ構造であり得、フレームが、車両全体システムモデル全体のフレーム上ボディモデルの無数のサブシステムの1つであろう。フレームは、ボディ区分のユニボディシステムおよびサブシステムで利用されるHPESTに加えて、HPEST技術を使用することができる。

HPESTは、構造強度を増加させ、より多くの追加材料費用を伴わずに、かつ燃料消費を増加させることなく、所望の特性および/または政府安全性基準を満たす、もしくは超えるように、殆どの製造品の構造設計の中へ設計されてもよい。

加えて、HPESTは、限定されないが、家具、携帯電話、コンピュータ、輸送コンテナ、保護衣、スポーツ機器、船、電車、飛行機、建造物、ドア、窓、塔、橋、トンネル、送電線ケーブル等の構造に組み込まれ、これらの用途をより頑丈かつ軽量に作製することができる。本発明(HPEST)は、所与の構造のより強い強度、より低い重量、エネルギー節約(新しい法律によって命じられる)、より少ない材料、向上した性能、および/またはより低い費用の利点から利益を得るであろう、無数の市場用途で利用されてもよい。HPESTの市場用途は、例えば、以下を含むが、それらに限定されない。

−自動車産業:強度等を増進するための様々な材料の密閉内部として、安全ケージ、サイドドア安全ビーム、座席フレーム、付属接続ロッド、ダッシュ支持構造、バンパ、車輪、駆動軸、ボックス状フレーム、車軸、一般懸架構成要素に組み込まれる −航空宇宙:着陸装置、一般統合飛行機械構造アセンブリ、プロペラおよびタービン翼、内部等に限定されない −建設:建造物、橋、塔、トンネル等の中の殆どの構造システムに限定されない −電子機器:標準およびナノ一般用途利益、より軽量で良好な(熱、電場、圧力(音、大気等)等からの)絶縁緩衝構成要素等に限定されない −軍事:限定されないが、一時的建造物、武器、機械、車両等を加えた上記の用途 6.本発明(HPEST)の試験:正面衝突の影響下のHPESTの非線形有限要素構造 (A.目的) 本計算の目的は、正面衝突荷重を受けるときに、以降でHPESTモデルと呼ばれるであろう、加圧空気で充填された閉鎖鋼鉄チャンバの構造応答を判定することである。衝突荷重は、図1に図示されるように反対面の縁を拘束しながら、幅がチャンバ幅の20パーセントである、チャンバの前面の細片上に垂直に印加された。衝突荷重の規模は、ゼロから図2に図示されるようにモデルが構造的に破損するまで単調に増加した。本計算の範囲は、破損荷重の規模への内部加圧空気の影響を実証することである。図1は、本発明のHPEST構造の有限要素メッシュおよび印加された圧力を示す。鋼鉄および空気の物理的ならびに機械的材料特性に関する情報が、既存の文献から得られた。参考文献1および2を参照されたい。

(B.HPESTの3D非線形モデルの開発) チャンバの内側の任意の加圧ガスが衝突エネルギーを吸収し、チャンバがより高い衝突荷重を持続することを可能にするであろうことを実証する目的で、3D非線形有限要素モデルが、LS−DYNAを使用してHPESTチャンバのために開発された。本目的で、チャンバは、空気で充填および囲繞されると仮定される。モデルで使用されるチャンバの寸法は、6インチ×6インチ×6インチである。チャンバの内側の加圧ガスの影響を実証するために、いくつかの有限要素モデルが、チャンバの内側の空気の初期圧力の異なる事前設定値、すなわち、0atm、1atm(14.696psi)、10atm、および20atmについて分析された一方で、外側の空気の圧力は、1atm(1気圧)で一定に保たれた。内側および外側に空気を伴うHPESTメッシュが、図3に示される。HPESTチャンバの有限要素モデルは、3つの主要な構成要素、すなわち、チャンバシェル、チャンバの内側の流体(空気)、およびチャンバの外側の空気から成る。タンクシェルは、最上部、底部、および側壁領域を表し、後処理において視覚化を促進するように、3つの構成要素に細分される。チャンバ側面は、4節点Belytschko−Tsayシェル要素を使用してモデル化される。細かいメッシュ(0.10インチ)が、正確な幾何学的表現を確実にするためにチャンバに使用された。シェルは、全てのチャンバ側面に3/64インチの一様な厚さを有する。使用されるシェル要素の総数は、21,600である。鋼鉄に使用される構成モデルは、MAT_003としても公知である、LS−DYNAにおける「弾性塑性運動学的材料モデル」である(参考文献3、4を参照)。モデルで使用される特性が、表1に列挙される。

チャンバの内側の流体は、恣意的ラグランジュ・オイラー(ALE)式(LS−DYNA表記においてelform=11)とともに8節点固体6面体要素を用いて、離散化される。本モデルで使用されるALE固体要素の総数は、64,000である。本式では、ALEメッシュは、解が進行するにつれて、ある規定様式で移動するように指図される。チャンバの内側の流体中と同一の要素を使用してモデル化されている、ボックスを囲繞する空気も考慮された。本空気領域をモデル化することは、内側の空気がそれに流入することを可能にし、構造の壁を変形させるために不可欠である。それを達成するために、空気メッシュは、それらの界面において同一の節点を共有する必要がある。

空気の物理的影響は、空気を表すために一般的に使用される、MAT_NULLおよび状態の線形多項式(*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL)を使用してモデル化される。LS_DYNAモデル化ガイド(5)によると、これらのコマンドと関連付けられる海水面における空気(初期圧力=1atm)の典型的入力定数は、以下の通りである。 *MAT_NULL: 質量密度、RO=0.94e−7lbf−s²/in⁴ *MAT_NULLにおける全ての他のパラメータは、ゼロに設定され、または空白にされるはずである。 *EOS_LINEAR_POLYNOMIAL: 無単位パラメータC₄およびC₅は、0.4に設定される。 C₀=C₁=C₂=C₃=C₆=0 V₀=1.0 (応力の単位における)E₀=初期圧力/C₄=初期圧力/0.4である。したがって、1atmの初期圧力に関して、E₀=36.8psiである。 (C.流体・構造相互作用) 前述のように、空気は、ALE6面体を用いてモデル化され、HPEST構造は、ラグランジュシェルを用いてモデル化された。そのようなモデルでは、ラグランジュメッシュは、ALEメッシュと節点を共有しない。2つのメッシュは、コマンド*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLIDで定義される結合アルゴリズムを介して相互作用する。本結合は、ラグランジュ部品を通したALE材料の浸透に抵抗する力を生成する役割を果たす。本結合は、ALEモデル化の主要かつ複雑な側面である。図3は、圧縮空気を有する密閉内側チャンバを伴うHPEST構造の有限要素モデル、およびHPESTチャンバの外側に位置付けられた空気を示す。

(i.結果) 開発される有限要素モデルは、HPEST内側チャンバの内側の空気の内圧が上昇すると、より多くのエネルギーが衝撃によって吸収されることを示す。図4は、空気内圧と破損荷重との間の関係を要約する。本文脈での破損荷重は、任意のシェル要素における歪みが0.19のその最大値に達する荷重として定義される。図4は、内側の空気の内圧がゼロから12atmまで上昇する際の破損荷重の61%増加を示す。

インパルスは、それが作用する時間間隔tにわたる力Fの積分として定義される(6)。本数量は、衝突中の運動量の変化を表すために使用される。図6は、12atmまで内圧を上昇させることがインパルスの159パーセント増加(内圧がない場合の元のインパルスの2.59倍)をもたらすことを示す。これは、HPESTチャンバの内側の加圧空気がエネルギーを吸収し、側面が崩壊し始める前にそれらの破損歪みに達するまで、高い変形を延期するという事実によるものである。実際、チャンバの内側の加圧空気の存在が、衝突の衝撃を吸収する一方で、側面は、崩壊の開始による破損に達するまで歪まされる。次いで、同伴空気がない場合に注目されるものに類似する最終崩壊に達するまで、空気がチャンバの亀裂壁を通って漏出するにつれて、圧潰がさらに遅延させられる。

図6−8は、塑性歪みおよびミーゼス有効応力のフリンジプロット、ならびに同伴空気がない場合のチャンバの圧潰形状を示す。図9−11は、内部空気圧が1atmである場合の破損点における(内壁における歪みがその限界に達するときの)HPESTチャンバの内側の塑性歪み、ミーゼス有効応力、および空気圧のフリンジプロットを図示する。図12は、内圧が1atmであるときの完全圧潰チャンバを示す。ここで、破損が開始された後でさえも衝突荷重が単調に印加され、その構造が最終破損に追い込まれたことを意味することに留意されたい。図4および5で破損荷重として今までのところ報告されている値、ならびに図6−11のフリンジプロットによって示される対応する応力および歪みは、破損が空気亀裂発生によって開始されたものである。図13−15は、10atm内圧を伴うHPESTチャンバの内側の空気の塑性歪み、ミーゼス有効応力、および内圧のフリンジプロットを示す。破損開始の時間によって実証される破損荷重の増加が顕著である。図16は、破損したチャンバを示す。類似動向はまた、図17−19に示されるように空気内圧を12atmまで上昇させるときに注目されることができた。

HPESTチャンバの内側の空気の内圧が20atmまで上昇すると、衝突荷重が印加された直後にチャンバが破損した。これは、チャンバ壁が空気内圧により引張応力を発生させるという事実により、予期される。高い内圧下で、壁における高い引張応力は、構造全体を脆弱にした。したがって、所与のHPESTチャンバのための内圧の作業範囲は、1〜12atmおよびそれを上回ると言える。同伴空気の内圧のフリンジプロットは、チャンバの内側の流体中の極めて一様な圧力分布を示す。衝突ゾーンに近接する領域のみが、わずかにより高い圧力を有する。これは、衝突によるエネルギーを吸収することに加えて、本チャンバ内に封入された構造の全ての表面上の衝突により、内側の流体/ガスが圧力を分配し、そのような構造がより高い衝突荷重に耐えることを可能にするであろうことを確認する。

(ii.概要) 本発明のHPEST技術は、ある構成要素のための保護を提供して安全性を増進するために、衝撃または衝突吸収体としてより大型の構造内で使用され得る、一連の完全閉鎖構造を開示する。基本的概念は、そのようなチャンバの内側の流体が、構造をより耐衝突性にする付加的構造剛性を提供するという事実に依拠する。非線形有限要素分析の利用は、完全に閉鎖され、内圧が0atmから20atmに及んだ空気で充填される、立方体鋼鉄チャンバを使用して、本発明のHPEST技術に定量化可能尺度を提供する。結果は、本発明が衝撃またはエネルギー吸収体として稼働することが証明されたことを示す。有限要素モデルでは、立方体の2つの縁が、唯一の破損モードにおいて所与の単調荷重下で破裂するまで側面の変形を保つために、堅く拘束された。実際の用途では、HPESTチャンバはおそらく、同様に変形し、より多くのエネルギーを吸収するであろう、角で接続されたパイプまたはロッドの搭載システムから利益を得るであろう。したがって、本明細書で提示される結果は、同伴流体の効果を考慮することから獲得される、最低期待改良である。衝突力からエネルギーを吸収することに加えて、HPESTチャンバの内側の加圧流体は、衝突力による圧力が、該構造の衝突領域の有限点に集中させられる代わりに、内側に封入された任意の構造の全ての内面にわたって比較的均等に分配/分散されることを可能にする。これは、該構造の所与の有限区分に集中させられ、該構造の全ての内面領域上に均等に分配されていない、所与の衝突の全ての力による所与の構造の通常の破損と対比して、その所与の構造全体の潜在的強度を最大限にすることを可能にする。チャンバの最終形状およびサイズは、HPESTチャンバが内側に入れられることを所望される、構成要素の形状、サイズ、および性質に依存するであろう。

その広い発明の概念から逸脱することなく、変更が上記で説明される実施形態に行われ得ることが、当業者によって理解されるであろう。したがって、本発明は、開示される特定の実施形態に限定されないが、添付の請求項で定義されるような本発明の範囲内にある修正を網羅することを意図していることが理解される。