バイオインスパイアされた柔軟性のある保護具の新しい設計と性能の最適化

A new design and performance optimization of bio-inspired flexible protective equipment.

• Chaohui Zhang
• Prashant Rawat
• Peng Liu
• Deju Zhu

抄録

本研究では、新しいバイオミメティックデザインの保護具が提案されている。基本的に、テレポスト魚鱗は、周期的に重なり合うように配置された比較的軟らかいコラーゲンと繊維系の副層を有する凝灰岩高ミネラル骨層の二層構造を組み合わせており、優れた柔軟性と耐穿刺性を有している。魚鱗の生体模倣設計では、超高分子量ポリエチレンをベースとした副層を有する硬質セラミック層を保護具の設計に使用している。バイオインスパイアされた防護具の設計とその弾道性能の有限要素解析は、市販の3次元シミュレーションソフトウェアLS-DYNAを用いて行われています。隣接するスケールの重なり角、スケール間の摩擦係数、バッキング層のケブラー層数、スケール内のセラミックの種類など、様々な設計パラメータを議論し、解析することで、防護具の柔軟性の面での最適化を図っている。新たに設計された故障パターンを持つ防護具の弾道性能を、米国司法省(NIJ)の基準レベルIIIに従って検討した。実験結果と最適化されたパラメータに基づく結果から、防具の限界性能を定義した。したがって、本研究の結果は、既存の設計の改善や革新的な防具の製作のための弾道安全装置に関連する貴重な情報を提供するものである。

In this study, a new biomimetic design of protective equipment has been proposed. Basically, teleost fish scales combine a two-layered structure, tuff high mineralized bony layer with relatively soft collagen and fiber-based sublayer arranged in periodic overlapping design, which offers excellent flexibility and puncture resistance. For the biomimetic design of fish scales, a hard-ceramic layer with ultra-high-molecular-weight polyethylene based-sublayer is used for the design of protective equipment. Finite element analysis of bio-inspired protective design and its ballistic performance is done by a commercially available 3D simulation software LS-DYNA. Various design parameters, including the overlapping angle of adjacent scales, frictional coefficient between scales, number of Kevlar layers in the backing layer, ceramic types in the scale are discussed and analyzed to optimize the flexibility aspects of protective equipment. The ballistic performance of newly designed protective equipment with a failure pattern is examined as per the National Institute of Justice (NIJ) standards level III. Results based on experimental outcome and optimized parameters defined the critical performance limit of the protective equipment. Therefore, the results of this research provide valuable information related to ballistic safety equipment for improving the existing designs and/or fabricating innovative protective equipment.

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