基于cae分析的鞋體中底應(yīng)力和位移分布研究

基于cae分析的鞋體中底應(yīng)力和位移分布研究

1高級(jí)旅游鞋的工藝設(shè)計(jì)—引言cae技術(shù)是一項(xiàng)全面的數(shù)字技術(shù)，將力學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)、相關(guān)工程、工程管理和計(jì)算機(jī)技術(shù)工具相結(jié)合，形成高度濃縮的知識(shí)。其核心理論是基于現(xiàn)代計(jì)算力學(xué)的有限元分析技術(shù)。目前,CAE技術(shù)日益成熟并得到廣泛應(yīng)用,它正在深刻影響并改變著傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造方式。CAE技術(shù)能夠在產(chǎn)品設(shè)計(jì)定型或生產(chǎn)之前,預(yù)測(cè)、模擬和優(yōu)化產(chǎn)品性能,改進(jìn)加工工藝,從而縮短產(chǎn)品研發(fā)周期,降低開發(fā)成本,提高產(chǎn)品質(zhì)量。運(yùn)動(dòng)鞋底是運(yùn)動(dòng)鞋的關(guān)鍵部件,主要由大底(又稱外底)、中底和內(nèi)底(即鞋墊)三部分構(gòu)成。其中,中底是運(yùn)動(dòng)鞋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn),是確保運(yùn)動(dòng)鞋具備良好緩沖性、穩(wěn)定性、減震性和能量回歸的重要構(gòu)件,它直接影響著運(yùn)動(dòng)鞋的功能和舒適性。目前,國(guó)內(nèi)在運(yùn)動(dòng)鞋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,主要依靠經(jīng)驗(yàn),通過試錯(cuò)的方法對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改進(jìn)。這種方法需要生產(chǎn)樣品鞋進(jìn)行試穿,以檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的可行性,但開發(fā)成本高,研發(fā)周期長(zhǎng),產(chǎn)品質(zhì)量也難以達(dá)到最優(yōu)。特別是,目前的鞋用材料種類繁多,特性各異,一旦選定材料,如何進(jìn)行有針對(duì)性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);或者,如果結(jié)構(gòu)確定,如何選用合適的材料,傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)很難滿足實(shí)際要求。而CAE技術(shù)正是解決這一問題的有力工具。據(jù)報(bào)道,耐克公司在高級(jí)旅游鞋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,通過采用CAE分析技術(shù),在保證鞋體受力均衡的前提下,取得了鞋的理想重量。本文利用MSC.Marc有限元分析軟件,對(duì)一款運(yùn)動(dòng)鞋中底的概念設(shè)計(jì)進(jìn)行了腳與中底的靜力接觸分析,得到了腳和中底的應(yīng)力和位移分布規(guī)律,為檢驗(yàn)中底結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的可行性以及進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu),提供了理論依據(jù)。2對(duì)稱結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化本次CAE分析,將腳和中底作為分析對(duì)象,由于中底的主要受力部位是與腳后跟接觸的位置,因此,中底只取其后半部分作為分析對(duì)象,并將中底后半部分簡(jiǎn)化為對(duì)稱結(jié)構(gòu),只取一半進(jìn)行分析。行走過程中,腳對(duì)鞋底的作用力不斷變化,在此,考慮一種極限情況,即當(dāng)人體的全部重量通過一只腳作用在鞋底時(shí),考察腳和鞋底的應(yīng)力和位移分布情況。2.1骨簡(jiǎn)化模型及cae分析根據(jù)資料介紹,在進(jìn)行CAE分析時(shí),人腳的幾何模型可簡(jiǎn)化為由腳骨和軟組織組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)。腳骨簡(jiǎn)化模型是由一個(gè)半徑為15mm的半球和半徑為15mm高度為20mm的圓柱體組合而成。軟組織包覆在腳骨外面,是一個(gè)半徑為30mm高度為47mm倒角半徑為10mm的圓柱體。進(jìn)行CAE分析時(shí),考慮到簡(jiǎn)化模型的對(duì)稱性,只取一半進(jìn)行分析。人腳簡(jiǎn)化模型的截面結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。2.2超彈性材料模型本次分析中共涉及到3種材料,分別是腳骨、腳部軟組織和中底材料。中底材料采用熱塑性橡膠(TPR)。其中,腳骨假設(shè)為線彈性材料,具體材料參數(shù)為:彈性模量E=10GPa,泊松比ν=0.34。腳部軟組織和熱塑性橡膠(TPR)都屬于非線性粘彈性材料。描述非線性粘彈性材料的數(shù)學(xué)模型很多,常用的有Mooney模型、Ogden模型等。如果材料是可壓縮的,即材料在變形過程發(fā)生體積變化,一般使用Ogden超彈性材料模型描述。此時(shí)Ogden模型的應(yīng)變能函數(shù)為W=∑n=1Nμnαn(λαn1+λαn2+λαn3?3)+∑n=1Nμnβn(1?Jβn)(1)W=∑n=1Νμnαn(λ1αn+λ2αn+λ3αn-3)+∑n=1Νμnβn(1-Jβn)(1)式中,λ1、λ2、λ3為主伸長(zhǎng)率,αi、βi、μi為材料常數(shù),J為體積率,且有βi=vi1?2vi(viβi=vi1-2vi(vi為泊松比),J=λ1λ2λ3。如果材料是不可壓縮材料,此時(shí),Ogden模型的應(yīng)變能函數(shù)為W=∑n=1Nμnαn(λαn1+λαn2+λαn3?3)W=∑n=1Νμnαn(λ1αn+λ2αn+λ3αn-3)(2)對(duì)于式(2),當(dāng)N=2,α1=2,α2=-2時(shí),上式就變?yōu)閃=C10(λ21+λ22+λ23?3)+C01(1λ21+1λ22+1λ23?3)(3)W=C10(λ12+λ22+λ32-3)+C01(1λ12+1λ22+1λ32-3)(3)式中,C10和C01是兩個(gè)彈性常數(shù)。這兩個(gè)常數(shù)要在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,通過曲線擬合獲得。式(3)就是Mooney材料模型的應(yīng)變能函數(shù)。本次分析中,腳部軟組織和中底的熱塑性橡膠(TPR)均采用Mooney材料模型描述。其中,腳部軟組織的材料參數(shù),根據(jù)資料并進(jìn)行相應(yīng)的換算,分別取C10=0.1MPa,C01=0.1MPa。2.3腳骨接觸分析在腳與中底的靜力接觸中,假設(shè)人體重量為70kg,均勻作用在腳骨上。該接觸分析的有限元模型如圖2所示。腳骨和軟組織采用4節(jié)點(diǎn)四面體單元,中底采用4節(jié)點(diǎn)殼單元。3眼底受力部位圖3～圖6分別是腳部軟組織和中底的應(yīng)力和位移分布圖。綜合分析圖3～圖6,可得到以下結(jié)論:1)當(dāng)70kg體重全部作用在一只腳上時(shí),腳底受到的應(yīng)力處于0.9555MPa～2.364MPa范圍內(nèi),腳底軟組織沿Z向的變形量處于(10.7-7.684)mm～(10.7-5.419)mm范圍內(nèi),即變形量為3.016mm～5.281mm。2)此時(shí),中底與腳接觸部位的Z向位移處于2.297mm～4.03mm之間,Z向最大位移為4.03mm。中底主要受力部位的等效應(yīng)力處于2.472MPa～5.766MPa之間,最大等效應(yīng)力為8.639MPa(應(yīng)力集中)。中底產(chǎn)生一定的變形,增加了腳底受力的均勻性,同時(shí)能夠產(chǎn)生能量回歸效應(yīng),提高運(yùn)動(dòng)鞋的舒適性。4可擴(kuò)充材料在體育領(lǐng)域的應(yīng)用1)通過對(duì)中底進(jìn)行CAE分析,可以檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的可行性,為改進(jìn)結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)。從分析結(jié)果看,對(duì)于應(yīng)力比較大的部位,應(yīng)該增加結(jié)構(gòu)尺寸,以滿足功能要求;對(duì)于受力較小的部位,可適當(dāng)減小結(jié)構(gòu)尺寸,以減輕運(yùn)動(dòng)鞋的重量,提高舒適性。2)通過改變載荷,可以考察中底在不同狀態(tài)下的應(yīng)力和位移分布規(guī)律,并且可以考察特定結(jié)構(gòu)的中底所能承受的極限載荷。3)通過CAE分析,能夠優(yōu)化中底結(jié)構(gòu)參數(shù),在保證使用性能的前提下,降低中底重量,實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)鞋的輕量化。由此可以看出,利用CAE技術(shù),能夠大幅降低實(shí)物模型的試驗(yàn)次數(shù)與規(guī)模,從而縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,降低生產(chǎn)成本,保證產(chǎn)品質(zhì)量,提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。4)目前,