本文介绍鞋底的晶格设计案例。
引言
近年来,运动鞋产业经历了巨大的增长。特别是跑鞋会影响全身,被认为是跑步者最有价值的设备,研究发现鞋子设计上的小变化都会导致脚踝疼痛、背部疼痛、甚至头痛。
跑鞋工程师的首要目标是为“普通”运动员设计最佳的鞋子。在人体生物力学方面,因为每个人从解剖学上和功能上都不同,所以,“普适”这是一个非常棘手的概念。
每个个体都是独一无二的,其结构、运动和步态模式的差异都要求鞋子因人而异,故而在设计每只鞋时,要考虑到的关键因素有减震、弹性、合身、牵引、鞋底磨损、透气、重量等。
如图1,典型的鞋子由三个基本组成部分组成:外底、中底和上底,在接下来的演示中,我们将演示如何设计和优化中底的晶格模式,以定制更快、更轻的运动鞋。
图1 运动鞋结构
结晶结构
如图2,晶格结构:在单元中使用两个正形面,并From ElementàAbaqus
图2 结晶结构
晶格优化设置
如图3,针对晶格结构定义尺寸,采用Tosca进行优化设置。
材料:
图3 优化设计
边界条件和载荷:映射加载人站在鞋上时的负荷,如图4.
目标:最大刚度(最小应变能)
约束:
晶格:1.0 mm (design area bounds: 0.30 -3.42 mm)
壳:1.00 mm (frozen area)
相对体积 < 1.0
图4 载荷分布
优化结果
Tosca优化迭代和应变能、相对体积变化如图5所示。
(a)应变能
(b)相对体积
图5 优化结果和迭代过程
Tosca最优结果如图6所示。
(a)厚度分布
(b)应力分布
图6 优化结果
讨论
以上采用Abaqus、Tosca优化了鞋底的晶格结构,然后对优化几何进行重构,如图7所示。
图7 结构重构