多胞鞋底结构设计以及性能影响分析

多胞鞋底结构设计以及性能影响分析

杨晓静   ,凌静秀  ,邵家诚

福建工程学院 机械与汽车工程学院, 福建 福州 350118

福建工程学院 福建省数控装备产业技术创新研究院，福建 福州 350118

中建海峡建设发展有限公司，福建 福州 350000

摘 要：多胞结构是具有多种性能的新型超轻结构，其应用于鞋底结构能够使鞋制品的缓冲、助力性能得到一定的提升。文章运用有限元分析软件对普通鞋底结构和正六边形多胞鞋底结构在不同载荷状态下进行静力学性能分析，同时对多胞鞋底的不同胞元尺寸进行参数对比，得出缓冲效果最优的多胞鞋底结构方案。结果表明：相同载荷工况下，胞元边长为6mm，胞元凹槽深度为3mm的正六边形多胞鞋底结构的缓冲性能为最佳。

关键词：多胞结构；胞元边长；胞元凹槽深度；静力学

中图分类号：TH113.1 文献标识码：A

多胞结构在汽车、航天、航空等领域被广泛的使用，是一种具有多种性能的新型超轻结构。我国制鞋厂商在运动鞋上运用蜂窝科技技术远不如国外著名品牌厂家。因此，对鞋底多胞结构特性的研究很有意义。关于运动鞋底及多胞结构的研究，国内外学者已开展了大量的工作，并公开发表了诸多学术成果。丁明[1]从具有良好多孔性和机械性能的角度出发，利用仿生类比原理，设计了一种仿藕型多胞结构，并比较了仿藕型蜂窝多胞结构与仿藕层次多胞结构的耐撞性能，并对吸能性能更为优异的仿藕类蜂窝多胞结构结构进行多目标优化设计，提高其抗碰撞能力。高鸿飞[2]对多胞结构在低速撞击作用下的吸能性能进行了研究，并对其进行了优化。在此基础上，根据材料的机械特性，设计出更好的多功能复合材料。并在此基础上，提出了一套多单元结构的有限元计算模型，进而着重研究了加速度、能量变化、后板应力等问题，综述了多胞结构的在冲击过程中的特性。Galehdari等[3]对梯度蜂窝状结构在低速和半静态荷载作用下的特性进行了研究。对6061-O型铝合金进行了实验研究，并进行了材料的单轴拉伸实验。在落锤和Santam压缩机上进行了低速和半静态实验。并在 ABAQUS/CAE上进行了两个模拟仿真试验。在试验模态与数值模态对比的基础上，得出了“V”型形变模型。

综上所述,在运动鞋底和多胞结构特性及设计方面,国内外主要研究不同应用领域多胞结构力学性能、结构性能等方面，但对于多胞结构与运动鞋底相结合的相关资料凤毛麟角。本文采用有限元法，对不同载荷状态下普通鞋底结构和正六边形多胞鞋底结构进行静力学性能分析，同时对正六边形多胞鞋底的胞元尺寸进行优化，获得最优的多胞鞋底结构方案，研究结果为多胞鞋底性能提供参考。

1 多胞鞋底结构方案设计

根据调查，鞋底结构大底部分的前掌部位厚度为3，后根部位厚度为10，长度为265mm，大底前脚掌最宽为96，脚后跟最宽处为76，同时大底部分的底部，即与地面直接接触的区域，有呈波浪分布的半圆柱凹槽，凹槽半径为0.8，凹槽之间间隔为0.7，采用天然橡胶材料。鞋底结构多胞层中底部分的前脚掌部位厚度为5，后跟部位厚度为15mm。多胞层结构的正六边形胞元的边长为5，胞元凹槽深度为2，胞元壁厚为0.2，胞元间呈六边形分布，采用EVA材料。鞋底结构内底部分的前脚掌厚度为3，后脚跟部位厚度为5，同样采用EVA材料。将上述大底、中底及内底结构建模，并按次序进行装配，最终得到正六边形多胞鞋底结构总体结构的三维立体模型，如图1所示。为了使多胞鞋底结构在运动鞋性能提升上有更加直观的体现，更换鞋底结构的中底部分，得到用于对比的普通鞋底结构模型。

图1正六边形多胞鞋底结构三维立体模型

2多胞鞋底结构性能分析

对运动鞋多胞鞋底结构进行的静力学性能仿真分析所采用的工况选择分别为正常行走工况、匀速奔跑工况和跳跃工况三种自然工况，并假设运动鞋的使用者为体重70kg的成年男性。当处于正常行走工况时，施加在鞋底结构上的均布载荷的大小为0.07，方向为以鞋底大底为基准，垂直大底竖直向下；匀速奔跑，均布载荷的大小为0.14；跳跃时，均布载荷的大小为0.21。

在Ansys Workbench中添加并定义天然橡胶材料和EVA材料的参数。将装配完成的正六边形多胞鞋底模型和普通鞋底模型导入到有限元软件中，将材料赋予各个部位。对有限元模型进行网格划分，采用多区域且六面体主导的划分方法，并针对不同模型进行网格尺寸的优化，如图2所示。

图2 多胞鞋底有限元网格模型

按照上述的典型载荷工况对模型进行加载，对两种鞋底模型进行静力学分析，对比静力学指标，进而呈现多胞鞋底结构的性能优越性。

在步行工况下多胞鞋底的总变形量的扩散较普通鞋底的总变形量的扩散更为均匀，且多胞鞋底各个形变区域的变形量均比普通鞋底变形量大，变形量为1.79最大变形量为2.69而普通鞋底的最大变形量仅为1.47远不如多胞鞋底。这说明多胞鞋底在步行工况下的缓冲减振性能较普通鞋底好。如图3、4所示。

图3

多胞鞋底步行工况下总变形分布后处理模型图

图4普通鞋底步行工况下总变形分布后处理模型图

同理，在匀速奔跑工况下多胞鞋底大部分区域的变形量为3.59最大变形量为5.39普通鞋底最大变形量为2.94这说明多胞鞋底在匀速奔跑工况下的缓冲减振性能仍较普通鞋底好。

多胞鞋底结构在跳跃工况下的变形量明显大于普通鞋底，多胞鞋底结构在该工况下有着非常明显的形变，而普通鞋底在该工况下的真实尺度的运算结果仍只有略微形变，这说明多胞鞋底在该工况下具有更优的性能，能对使用者起到更大的保护作用。

3多胞结构胞元参数优化

3.1多胞结构胞元边长优化

重新设计原有的多胞结构胞元边长，将原本的边长5设计为4和6，求解得到胞元边长为4和胞元边长为6的多胞鞋底结构模型在三种工况下的变形总计结果，结果如表1所示。

表1不同胞元边长下多胞鞋底的最大变形量

由表可知，边长为6的正六边形多胞鞋底结构在各种工况下的最大变形量最大，即可说明该胞元参数下的正六边形多胞鞋底结构的减振性能最佳。

3.2 多胞结构胞元凹槽深度优化

同理，对原有的多胞结构胞元凹槽深度进行重新设计，将原本的凹槽深度2重新设计为1.5和2.5，进行静力学求解，得到胞元凹槽深度为1.5和胞元凹槽深度为2.5的多胞鞋底模型在三种工况下的变形总计结果，如表2所示。

表2 不同胞元凹槽深度下多胞鞋底的最大变形量

由表4.2可知，胞元凹槽深度为2.5的正六边形多胞鞋底结构在各种工况下的最大变形量最大，即可说明该深度为正六边形凹槽深度的最优尺寸。

4 结语

基于多胞鞋底的优越性能，本文设计一种多胞鞋底结构，对其和普通鞋底进行静态有限元分析，并对多胞鞋底的不同胞元尺寸进行参数对比，得出结论：

1）多胞鞋底结构的变形量分布均匀，而普通鞋底结构的变形量相对集中，导致鞋底的舒适性不如多胞鞋底结构。同时由于相同工况下，变量越大刚度越小，因此多胞鞋底结构的减振性能也远远强于普通鞋底结构。

2）相同载荷的工况下，仅改变胞元边长，发现胞元边长为6mm的正六边形多胞鞋底结构的缓冲性能为最佳。

3）相同载荷的工况下，仅胞元凹槽深度，发现胞元凹槽深度为3的正六边形多胞鞋底结构的缓冲性能为最佳。

参考文献：

[1]丁明. 仿藕类蜂窝多胞薄壁结构的耐撞性研究[D].湖南大学,2020.DOI:10.27135/d.cnki.ghudu.2020.001161.

[2]高鸿飞. 多胞软质夹层复合防护结构的设计及其冲击响应研究[D].湖南大学,2019.DOI:10.27135/d.cnki.ghudu.2019.003062.

[3]Galehdari S A ,  Kadkhodayan M ,  Hadidi-Moud S . Low velocity impact and quasi-static in-plane loading on a graded honeycomb structure; experimental, analytical and numerical study[J]. Aerospace Science and Technology, 2015, 47(DEC.):425-433.

基金项目：福建省教育厅中青年科技项目（JAT190413）.

第一作者简介：杨晓静,（1985-）,女,山西朔州,实验师，研究方向:机械设计及理论