1、本科毕业论文（20届）鞋受力的有限元分析所在学院专业班级机械设计制造及其自动化学生姓名学号指导教师职称完成日期年月I摘要摘要鞋子作为人们日常生活不可缺少的用品之一，其重要性不言而喻。对鞋子进行优化设计，可以降低足患病人穿着鞋子时的疼痛感，提高运动员的竞技水平，以及减小普通人长时间行走后产生的疲劳感。过去人们只能用实验的方法改进鞋子的设计，耗时耗力。有限元法是一种求解复杂工程结构高效能的计算方法。如今有限元法逐渐成熟，工程师们不再需要在实验对象上进行大量实验，而可以用有限元法进行计算机模拟，轻松地对鞋子的受力分析进行系统的研究，以得到制鞋的基本指导方针。本文的主要工作分为两个部分。第一个部分是对
2、8种鞋底受压的静态分析，8种鞋底为两种鞋底形状，两种不同材料配置，两种不同鞋底上下底厚度分配，这三种不同情况的自由组合。本文研究得出鞋底的材料是影响鞋底峰值压力的最重要因素，并且拱形的鞋底能够使鞋底应力变化更加平缓。第二个部分是对人步行过程中，三个步态的动态分析。本文研究得出峰值应力一般产生在鞋尖、鞋后跟边缘，以及鞋面与鞋底的接缝处，破坏与磨损也易在这些部位产生（这与生活经验符合）。因此在制鞋过程中，这些部位要进行强化处理。这些研究说明了鞋子的设计、材料选择对鞋子质量和穿着者舒适度的影响，为鞋子的制作提供了一定的技术指导。关键词鞋；有限元法；ANSYS；峰值压力。IIFINITEELEMENT
3、ANALYSISOFSHOESUNDERDIFFERENTLOADINGSABSTRACTASONEOFTHEINDISPENSABLESUPPLIESINPEOPLESDAILYLIFE,THEIMPORTANCEOFSHOESISSELFEVIDENTITCANREDUCETHEPAINOFPEOPLEWHOHAVEFOOTDISEASES,IMPROVETHECOMPETITIVELEVELOFTHEATHLETES,ANDRELIEVETHEFEELINGOFFATIGUEOFPEOPLEAFTERALONGWALKPREVIOUSLY,PEOPLECOULDONLYIMPROVETH
4、EDESIGNOFSHOESWITHEXPERIMENTALMETHOD,WHICHWASTOOCOSTLYANDTIMECONSUMINGFINITEELEMENTANALYSISISAPOWERFULAPPROACHTOSOLVINGCOMPLEXSTRUCTURALPROBLEMSNOWTHEFINITEELEMENTMETHODISBECOMINGMATURE,ANDENGINEERSWILLNOLONGERNEEDTOCARRYONALARGENUMBEROFEXPERIMENTSONTHEOBJECTSASBEFOREWITHFINITEELEMENTMETHOD,WECANMAK
5、EASYSTEMATICSTUDYOFSHOESEASILY,ANDTHENOBTAINTHEBASICGUIDELINESFORSHOEDESIGNANDFABRICATIONTHISSTUDYISDIVIDEDINTOTWOPARTSTHEFIRSTPARTISTODOSTATICANALYSISOFEIGHTKINDSOFSOLESTHEEIGHTKINDSOFSOLESAREFREECOMBINATIONSOFTHREEDIFFERENTFACTORSSHAPE,MATERIALSANDTHICKNESSTHISPARTHASCONCLUDEDTHATTHESELECTIONOFSOL
6、EMATERIALISTHEMOSTIMPORTANTFACTORTOINFLUENCESOLEPEAKPRESSURE,ANDTHEARCHEDSOLECOULDMAKETHEVARIATIONOFSTRESSESINTHESOLEMORESMOOTHLYTHESECONDPARTISTODODYNAMICANALYSISOFTHREECASESDURINGNORMALWALKINGTHISPARTHASCONCLUDEDTHATPEAKSTRESSGENERALLYAPPEARSINTOECAP,THEEDGEOFSHOEHEEL,ANDTHESEAMSOFSOLEANDSHOEUPPER
7、DAMAGEALSOALWAYSHAPPENSINTHESEPLACESTHISISALSOFROMOURLIFEEXPERIENCEHENCE,THESEPARTSNEEDTODOSTRENGTHENINGTREATMENTDURINGTHEPROCESSOFSHOEMAKINGTHESERESEARCHSHOWSTHEINFLUENCESOFSHOEDESIGNANDSELECTIONOFSHOEMATERIALSTOTHEQUALITYOFSHOESANDCOMFORTABLELEVELOFWEARING,ANDGIVESSOMETECHNICALGUIDANCEFORTHEMANUFA
8、CTURERSOFSHOESKEYWORDSSHOE；FINITEELEMENTMETHOD；ANSYS；PEAKPRESSURE。III目录摘要I目录III1绪论111鞋子受力分析的研究背景及意义112制鞋产业的技术现状113本文的主要工作2131对于8种鞋底的静态分析2132对步行过程三个步态的动态分析32有限元分析原理421有限元方程4211单元的插值函数4212单元分析5213载荷移置622使用ANSYS作为有限元计算工具73鞋底的静态分析931问题的描述932计算分析过程10321用PROE软件建立鞋的模型10322ANSYS单位制问题说明11323鞋子各部分材料参数的选定12324
9、网格划分13325结果及讨论1533小结214步行三个步态时的鞋受力分析2341问题的描述2342计算分析过程23421模型的建立23422材料的选定24423结果及讨论245总结与展望28参考文献29致谢错误未定义书签。11绪论11鞋子受力分析的研究背景及意义鞋子作为人们日常生活不可缺少的用品之一，其重要性不言而喻。随着人们生活水平的提高和科技的发展，鞋子的角色不再是单单保护足部免受环境的伤害，甚至能预防某些疾病导致的足部并发症的产生（例如糖尿病和周围神经病变患者易发生足部溃疡2），以及帮助足部手术后病人足部功能的恢复。体育运动的发展也改变了鞋子的角色，一双制作精良的运动鞋能极大地提高运动员
10、的竞技水平。国际上两大顶级的运动鞋制造商NIKE和ADIDAS，就以其不断创新的核心技术、优异的制鞋材料、精湛的制鞋工艺和卓越的市场营销，牢牢占据着全球运动鞋的主流市场，并引领着全球运动鞋高端科技的方向。综上所述，不管是临床上的治疗鞋还是运动场上的运动鞋，都密切关系着人们的生活。鞋子的设计研究，越发受到学者和厂商的重视。尤其在我们国内，这一块的研究工作才刚刚起步，其市场潜力不可估量。不管是何种鞋类，其设计研究都离不开生物力学的研究，必须遵循人体运动的生物力学原理。其中足部与地面、足部与鞋子、鞋子与地面之间相互作用的力学问题，制鞋材料、鞋体结构与运动功能问题，是鞋生物力学研究的主题11。分析鞋受
11、力的情况，进行实验分析和计算机模拟，可以得到不同运动状态下，鞋子内部的应力应变分布。进而得出峰值压力产生的部分，然后在计算机上对鞋子进行优化设计，以减小峰值压力的产生。这样，就可以降低足患病人穿着鞋子的不舒适感，提高运动员的竞技水平，以及减小普通人长时间行走后产生的疲劳感。12制鞋产业的技术现状在提高制鞋行业的产品质量方面，目前主要体现在制鞋业的机械化、自动化、智能化，以及利用计算机技术、人机工程学原理，对鞋底鞋面进行研究；其次是制鞋工艺的细分；三是制鞋业逐渐采用高吸湿性、高透气性、防水、防尘、高强度、高耐磨的合成革材料。对于工业产品的人机工程，以及数字化建2模方面在包装行业、包装机械、印刷等
12、方面开展较多，但在制鞋行业开展的不多；特别是浙江省的制鞋行业，基本注重鞋的创意设计，而缺乏人机工程方面的研究，使得鞋样设计尚停留在主观感受的阶段。人体与鞋的接触涉及到人体生物力学、生理学、心理学等众多重要因素；主要从足底压力方面来研究人体在裸足状态下正常行走时的情形与鞋楦成形关系，并形成优化方案。根据前期研究表面人体足前掌负重与足后跟负重在人正常行走时没有明显差别，但是足前掌负重时间明显长于足后跟负重时间。因此鞋楦的制作更加要考虑到鞋楦的腰窝及其以前的部位。通过设计足底受力实验来研究足底受力分布情况，并对鞋楦优化提出建议。13本文的主要工作本文的主要工作分为两个部分一，对于8种鞋底受压的静态分
13、析；二，对人步行过程中，三个步态的动态分析。131对于8种鞋底的静态分析本文尝试利用使用广泛的建模软件PROE来建立运动鞋的模型，并用面向个人电脑的通用计算机有限元软件ANSYS来对8种不同的鞋子（鞋底）模型（即两种鞋底结构，两种鞋底分配比例，两种鞋底材料的自由组合）进行静态分析，来得出哪种因素是降低足底峰值压力的主要因素。（1）由于鞋子的模型比较复杂，大部分又不规则的曲面构成，如果用ANSYS本身的建模功能来建立鞋子的模型，对于如此复杂的曲面，只能先计算出曲面上大量的关键点，然后用关键点形成线，再用线形成面，这样势必导致产生大量不必要的工作时间。因此本文尝试利用PROE软件强大的曲面建模功能
14、，建立运动鞋的模型。特别的，对于鞋子的鞋底部分建立两种模型第一种模型，鞋子的底面是一个平面；第二种模型，鞋子的底面是一个拱形曲面。由此来比较鞋子鞋底拱形与非拱形两种形状，在施加相同载荷的情况下，鞋子底面的应力、应变分布情况，以及峰值压力产生的情况。（2）将用PROE软件建立的运动鞋模型导入ANSYS软件进行静力分析。用ANSYS软件的工作平面将鞋底切分成两个部分上底和下底。建立鞋底上底和下底不同比例的两种模型。以此来研究不同的鞋子上下底厚度，在施加相同载荷的情况下，鞋子底面的应力分布情况，以及峰值压力产生的情况。3（3）在ANSYS软件中赋予运动鞋上底不同的材料，定义两种模型。对于鞋子的下底，
15、都赋予天然橡胶的材料属性。对于鞋子的上底，分别赋予EVA和PVC两种常用鞋中底材料的材料属性。以此来研究，不同材料属性，在施加相同载荷的情况下，鞋子底面的应力分布情况，以及峰值压力产生的情况。132对步行过程三个步态的动态分析人的步行，一般是鞋的后跟先着地，然后过渡到整个鞋底着地，继而过渡到鞋尖，最后鞋尖离开地面。本文将人的步行过程简化成3个步态即鞋的后跟着地，整个鞋底着地，鞋尖着地。本文使用ANSYS的LSDYNA模拟人步行的三个步态，进行动态分析。本文用钢板替代地面，让鞋底分别与钢板成30，0，30冲击地面，冲击速度为3M/S，以此来模拟人步行过程的3个步态。从计算机模拟的数据中，我们可以
16、得到鞋子的应力分布，以及峰值应力及其产生的部位。42有限元分析原理21有限元方程这里我们介绍有限元分析中最为关键的一环，单元分析。包括位移插值函数的选择，单元应力应变分析，作用在单元上的载荷向单元节点的移置等内容。211单元的插值函数由弹性力学理论可知，如果弹性体内的位移分量已知，则通过弹性力学几何方程和物理方程，应力分量和应变分量也都唯一确定。但是如果仅知道每个单元节点的位移，则既不能确定单元内任意一点的位移，也不能直接求得单元上任意一点的应力应变。只有在假定了一个可用节点位移表示单元内任意一点位移的插值函数以后，单元内任意一点的应力应变求解才成为可能。在有限元分析中一般都采用多项式作为插值
17、函数，多项式的项数由所选取的单元和单元的节点数决定。通常以形函数的方式表示插值函数，下面以平面矩形单元为例说明如何由插值函数得到形函数。4节点矩形单元的插值多项式为XYAYAXAAVXYAYAXAAUEE119874321（21）在已知4个节点位移的前提下任意一点的位移可表示为MMLLJJIIEMMLLJJIIEVNVNVNVNVUNUNUNUNU（22）式中的NI、NJ、NL、NM就是形函数，其表达式为1141114111411141BYAXNBYAXNBYAXNBYAXNMLJI（23）如果令AX，BY，形函数可写成如下无量纲形式51141,IIIN（I，J，L，M轮换）（24）那么（22
18、）式就可以用矩阵表示为EMMLLJJIIMLJIMLJIEENVUVUVUVUNNNNNNNNVU00000000（25）式中E为节点位移列向量，N为形函数矩阵。212单元分析单元位移确定以后，就可以利用几何方程和物理方程求得单元的应力和应变。下面仍以平面4节点矩形单元为例推导单元刚度矩阵。单元内任意一点的应变为EEMLJIXYYXBBBBB（26）式中B称为应变矩阵，其分块子矩阵为111001410000IIIIIBAABABB（I，J，L，M轮换）（27）式中I0，I0。再由弹性力学平面问题物理方程，单元内任意一点的应力可表示为EEXYYXSBDD（28）式中S为应力矩阵，D为弹性矩阵，其
19、表达式为62110010112ED（29）E是弹性模量，是泊松比。应力矩阵S的分块子矩阵为1211211111140000002IIIIIIIAAABABABES（I，J，L，M轮换）（210）对于平面应变问题，只需将上式中的E和分别用21E和1代替即可。利用虚功原理可求得单元节点力与单元节点位移之间的关系式EATEDXDYTBDBF（211）令ATEDXDYTBDBK，上式简化为EEEKF（212）EK称为单元刚度矩阵，T为单元厚度。单元刚度矩阵可分块表示为EMMEMLEMJEMIELMELLELJELIEJMEJLEJJEJIEIMEILEIJEIIEKKKKKKKKKKKKKKKKK（2
20、13）213载荷移置根据有限元原理，所有作用在结构上的载荷必须等效地移置到节点上。因此，需要将结构上的载荷按照静力分析等效的原则向节点移置，化为等效节点载荷。仍以平面问题4节点单元为例，假设作用在矩形单元上的体力为TVYXF,，分布面力是TAYXF,，集中力为TYXQQQ,。其中分布面力的等效载荷为EMEMELELEJEJEIEIEAYXYXYXYXF（214）由虚功原理有7TDSFNFASTEA（215）其分量形式为SIISIITDSYNYTDSXNX（I，J，L，M轮换）（216）S为单元上有外载荷作用的边。22使用ANSYS作为有限元计算工具ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场
21、分析于一体的大型通用有限元分析软件。它能与多数CAD软件接口实现数据的共享和交换，如PROE，NASTRAN，ALOGOR，IDEAS，AUTOCAD等，是现代产品设计中的高级CAE工具之一。ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场以及碰撞等问题。因此它可以应用于以下工业领域航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微电子系统、运动器械等。ANSYS软件主要包括三个部分前处理模块，分析计算模块和后处理模块。本文用PROE软件建立鞋子的模型，因此只用到ANSYS的后两个部分分析计算模块和后处理模块。然后用后处理模块可将计
22、算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。使用ANSYS进行分析的主要步骤包括物理模型的构造，单元类型的选择，材料参数的选定，网格密度的确定等多方面的内容。其中有限元网格划分是进行有限元数值模拟分析至关重要的一步，它直接影响着后续数值计算分析结果的精确性。ANSYS程序提供了使用便捷、高质量的对CAD模型进行网格划分和自适应划分。延伸网格划分可将一个二维网格延伸成一个三维网格。映像网格划分允许用户将几何模型分解成简单的几部分，然后选择合适的单元属性和网格控制，生成映像网
23、格。ANSYS程序的自由网格划分器功能是十分强大的，可对复杂模型直接划分，避免了用户对各个部分分别划分然后进行组装时各部分网格不匹配带来的麻烦。自适应网格划分是在形成了具有边界条件的实体模8型以后，用户指示程序自动地生成有限元网格，分析、估计网格的离散误差，然后重新定义网格大小，再次分析计算、估计网格的离散误差低于用户定义的值或达到用户定义的求解次数。本文中，主要是鞋底受到人体足部对其的压力，所以，对鞋底采取ANSYS的SWEEP网格划分，网格密度可以适当地大一点。对鞋面的网格划分采用ANSYS的自由网格划分，网格密度可以小一点，以免影响计算速度。对钢板的网格划分采用ANSYS的MAPPED网
24、格划分。93鞋底的静态分析31问题的描述人在运动过程中，鞋子收到人体足部和地面对于鞋子的作用力。一般情况下，鞋子出现磨损和破坏的部分，总是鞋底部分。运动鞋的核心技术也主要体现在鞋底科技上11。而过去的研究主要集中于足部的受力分析6,8,9，对于鞋受力的分析研究比较少。在本文中，主要研究鞋子在步态过程中全脚掌接触地面的情况下，受到人体足部对于鞋子的压力，所表现出来的力学性质。本文将讨论8种不同的鞋子模型，即两种鞋底形状（拱形与非拱形），两种不同材料配置（一种上底赋予EVA材料，另一种上底赋予PVC材料），两种不同鞋底上下底厚度分配，这三种不同情况的自由组合，他们在相同载荷，相同约束作用下，表现出
25、的不同应力应变分布情况。假设鞋子底面受到地面对其的全约束，而鞋底的上表面收到足部对其的正压力（假设为均布载荷，其产生的误差对于本文的研究结果影响不大）。由测力台的步行实验测出，一个65公斤的男性在步行过程中，单脚全脚掌触地时，鞋底受到足部对其的力为06KN。而43码鞋的鞋底的面积大概为003M2。因此鞋底所受的压力为20KPA。图31步行测力台实验1032计算分析过程321用PROE软件建立鞋的模型图32样鞋侧面图图33样鞋底面图因为鞋子的模型比较复杂，大部分由不规则的曲面形成，所以不适合用ANSYS自带的建模功能建立模型。本文打算用PROE软件建立鞋子的模型。PROE软件是采用参数化设计，基
26、于特征的实体化模型系统。工程设计人员采用具有智能特性的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，这样可以随意勾画草图，轻易改变模型。并且该软件还拥有强大的曲面建模功能，可以比较容易地建立11图34PROE软件最终成形的鞋子模型鞋子的模型。由于ANSYS软件不带单位制，只表示数值，需要用户自己统一单位，因此虽然在PROE软件中选用的是MMNS_PART_SOLID即毫米牛顿单位制，但是为了之后在ANSYS软件中把单位制统一成国际制，就把PROE中的长度单位看成是米M。本文对于鞋子尺寸的定义如下鞋子大小为43码，从鞋头到鞋跟的距离为03M。面积大概为003M2。图35鞋底的尺寸图322ANSYS单位制
27、问题说明12在ANSYS中，除了磁场分析外，不需要指定单位，只要保证数据的单位一致，用户可以在分析中使用任意一种单位制，建议使用国际单位制或者工程单位制。所谓单位一致，就是所有的单位由用户统一。一般先确定几个物理量的单位，然后导出其他物理量的单位。举两个例子说明。（1）静力问题的基本物理量为长度、力、质量。如果长度单位选M，力的单位选KN，质量单位选G，则应力的单位为KPA，而不是PA。（2）动力问题的基本物理量为长度、力、质量、时间。长度、力、质量。如果长度单位选MM，力的单位选N，质量单位选KG，时间单位选S，则以上单位是不统一的，因为根据牛顿第二定律，其量纲要满足FMA当均取国际单位时N
28、KGM/S2当长度单位选MM，质量单位选KG，时间单位选S时N103KGMM/S2所以，其正确的基本单位统一形式为MN（毫牛，即N103）、MM、KG、S。323鞋子各部分材料参数的选定首先，介绍几种鞋底的材料。RB是英文RUBBER（橡胶）的缩写，包含天然橡胶、人工合成胶等，一般用于各种运动鞋大底；PVC，POLYVINYLCHLORIDE聚氯乙烯，本色为微黄色半透明状，有光泽，一般用于鞋子的中底；EVAETHYLENEVINYLACETATE乙烯树脂醋酸纤维，回弹性和抗张力高，韧性高，具有良好的防震/缓冲性能，隔热，保温防寒及低温性能优异，可耐严寒和曝晒，密闭泡孔，一般也用于鞋子中底；PH
29、YLON俗称飞龙，是加热压缩的EVA发泡制成的混合物（属于EVA二次高压成型品），特点是质轻，弹性及抗震性能好，硬度是由发泡温度控制的，一般也用作鞋子中底。再介绍几种鞋面材料。PU革，是目前市场上使用最普遍的材料，其柔软，13富有弹性，手感好，表面多有光泽；牛巴，表面多呈磨砂状，手感粗涩，少有光泽且呈消光雾面，多数无弹性。运动鞋一般使用中档以上的牛巴和PU革做鞋面。超细纤维，质感柔和，质地均匀，性能很接近天然皮，但比天然皮厚度更均匀，弹性更均衡，是人造革类最好的材料之一，目前我们的大多数鞋型就使用这种材料；网布，主要分三类，主料网布，用在帮面外露地方，轻便且具有良好的透气性，耐弯曲性，领口辅料
30、，比如天鹅绒、BK布，还有里布辅料，比如丽新布，主要特性是耐磨，透气性好。本文对于运动鞋的下底（大底），一般选用天然橡胶（RB），其多用作室内运动鞋；对于运动鞋的上底，本文打算选用两种材料作比较，一种是EVA，另一种是PVC；对于鞋面，本文选择用网眼布（用尼龙、聚酯纤维所织成的网眼面料）。4种材料的材料参数如下表表31鞋子各部分材料的材料参数E（KN/M2）（G/M3）橡胶（RB）610E03045100E06EVA180E04040025E06PVC600E03047129E06网眼布248E06045110E06324网格划分一个结构经过力学简化之后通常变成梁杆、板壳、实体或者它们的组合，
31、要对某一结构进行有限元分析，必须将其离散化，即建立有限元模型，就是把结构用不同的单元划分为只在结点上彼此连接的有限个单元组成的离散体。为了使有限元模型能够准确地体现实际结构，必须选择适当的单元类型。一般而言，随着单元节点数目的增加，位移模式的次数增加，相应的计算精度也会得到提高，同时计算规模相应增大，计算时间增加。在求解实际问题时人们总希望用最少的单元实现比较高的计算精度，而且所选用的单元对复杂14结构也有较好的适应性，因此将形状规则的单元转换成边界为曲线或曲面的单元是比较好的选择。最简便易行的方法是把单元形状的变化和单元内位移函数的变化用相同数目的节点参数和相同的插值函数进行变换，即所谓等参
32、变换，采用等参变换的单元称为等参单元。以4节点四边形单元为例说明等参单元。如果能够通过坐标变换使其与整体坐标系中的一个单元建立映射关系，即矩形单元的节点和内部任意一点都与总体坐标系中的单元的节点和内部点形成一一对应的关系，用数学表达式可表示为（31）其中的映射函数NI（,）同时作为形函数（在单元分析中会给出具体表达式）用，以这种方式建立的单元叫等参单元，要注意的是总体坐标系适用于整体结构，局部坐标系只适用于具体某个单元。对于平面问题通常的还有8节点等参元，空间问题有8节点空间等参元和20节点等参元，等等。本文将用PROE软件建立的运动鞋模型，保存副本，格式为IGES。IGES是一种通用格式，它
33、可以在各建模软件和分析软件之间进行转换。打开ANSYS软件，IMPORTIGES格式的鞋子模型。本文在进行网格划分的过程中，发现当PROE模型以IGES形式导入ANSYS时，复杂曲面（如鞋面）会发生曲面丢失或者变形的情况，导致本文中的鞋面无法划分网格。为了解决这个问题，有必要对鞋面进行破面修补，将鞋面缝合成一体。这样操作之后，划分网格的问题得以解决。接下来是单元的选择问题。由于鞋面在PROE软件是实体模型，所以选择SOLID95作为鞋面的单元类型，SOLID95单元可用于曲面边界的三维实体建模；对于鞋底，选择SOLID186作为单元类型，SOLID186是个三维20节点结构实体单元，可用于生成
34、不规则网格模型。赋予鞋子各个部分不同的单元类型和材料参数，即可进行网格划分。划分YNXNIIIIIIYX,414115好后的鞋子单元模型如下图图35鞋的有限元模型325结果及讨论首先将鞋底的8种模型定义如下，分别为SHOE1，SHOE2，SHOE3，SHOE4，SHOE5，SHOE6，SHOE7，SHOE8，具体如下表表328种不同鞋底的参数SHOE1SHOE2SHOE3SHOE4SHOE5SHOE6SHOE7SHOE8拱形/非拱形非拱形非拱形非拱形非拱形拱形拱形拱形拱形下底的厚度（M）007010007010007010007010上底地材料EVA/PVCEVAEVAPVCPVCEVAEVA
35、PVCPVC用ANSYS软件进行计算机模拟分析，能够对不同鞋底进行系统的研究，而16不再需要反复在实验对象上进行大量实验，并且可以建立起鞋底制作的标准7。8种不同鞋底所产生的最大应力（压应力）如下表表338种不同鞋底的在相同载荷作用下的最大应力SHOE1SHOE2SHOE3SHOE4SHOE5SHOE6SHOE7SHOE8最大压应力（KPA）5058754339773337911748255484667744679632图36SHOE1鞋底在Y方向上的应力Y的云状图17图37SHOE2鞋底在Y方向上的应力Y的云状图图38SHOE3鞋底在Y方向上的应力Y的云状图18图39SHOE4鞋底在Y方向上
36、的应力Y的云状图图310SHOE5鞋底在Y方向上的应力Y的云状图19图311SHOE6鞋底在Y方向上的应力Y的云状图图312SHOE7鞋底在Y方向上的应力Y的云状图20图313SHOE8鞋底在Y方向上的应力Y的云状图SHOE1与SHOE2，SHOE3与SHOE4，SHOE5与SHOE6，以及SHOE7与SHOE8，它们的鞋底形状相同，赋予的材料参数也相同，只有上下底比例不同。比较表33中的数据，可以知道不同的RB下底与EVA上底比例，对于最大压应力（峰值压力）产生的影响。SHOE1的最大压应力为50587KPA，SHOE2的最大压应力为54339KPA。SHOE1的最大压应力比SHOE2降低了
37、69；同理，SHOE3的最大压应力比SHOE4降低了23；SHOE5的最大压应力比SHOE6的降低了04；SHOE7的最大压应力比SHOE8的降低了27。从上述数据中可以看书，RB底占鞋底的比例越大，产生的峰值压力也最大。因此要适当减小RB底的厚度。SHOE1与SHOE5，SHOE2与SHOE6，SHOE3与SHOE7，以及SHOE4与SHOE8，它们的上下底比例相近，赋予的材料参数也相同，只有鞋底的形状不同。SHOE5与SHOE1相比，SHOE6与SHOE2相比，最大压应力（峰值压力）降低了，但是SHOE7与SHOE3相比，SHOE8与SHOE4相比，最大压应力却增加了。产生这样情况的原因是
38、当改变鞋底的形状时（拱形或者非拱形），也不得不改变鞋子下底的厚度。因此两种参数协同影响了最大压应力的大小。本文在用PROE建模时，把原本为21平面的下底底面改成曲面时，也减小了下底的厚度。但是比较图36和图310你会发现，SHOE5鞋底上表面的压应力更加均匀，并且在鞋底上下底质量相同的情况下，把下底制作成拱形，也能部分减小峰值压力。SHOE1与SHOE3，SHOE2与SHOE4，SHOE5与SHOE7，以及SHOE6与SHOE8，它们的上下底比例，以及鞋底底面的形状都相同，只是赋予的材料参数不同。比较表33中的数据，可以知道不同材料参数，对于最大压应力（峰值压力）的产生的影响。SHOE3的上底
39、材料使用PVC，SHOE1的上底材料使用EVA。SHOE3的峰值压力为77333KPA，SHOE1的为50587KPA，SHOE1与SHOE3相比峰值压力降低了346；同理，SHOE2与SHOE4相比降低了313；SHOE5与SHOE7相比降低了376；SHOE6与SHOE8相比降低了391。从上述结论中，可以得出鞋底材料对于鞋底受力产生的峰值压力影响显著，是本文研究中三个影响因素中最重要的一个。33小结本文研究影响鞋底峰值压力的三个因素1，鞋底上下底的比例；2，鞋底底面的形状（拱形或非拱形）；3，鞋底上底不同的材料（EVA或PVC）。其中，最重要的因素是第三个因素，从实验结果中看出，上底选用
40、EVA材料相比PVC材料能显著降低鞋底的峰值压力。而第一个因素，当提高上底所占的比例时，也能使得鞋底的峰值压力有所下降。从某种层面上讲，第一个因素和第三个因素是类似的，就是我们可以通过适当提高鞋底的弹性模量，来降低鞋底受力所产生的峰值压力。而对于第二个因素，从应力云图中可以看出，拱形鞋底能使鞋底表面的应力变化更加平缓，从而使穿着者感觉更加舒适。下图为SHOE5和SHOE6的等效应力，第一、二、三主应力沿鞋纵向变化的结果曲线。22图314SHOE5的等效应力，第一、二、三主应力沿鞋纵向变化的结果曲线图315SHOE6的等效应力，第一、二、三主应力沿鞋纵向变化的结果曲线234步行三个步态时的鞋受力
41、分析41问题的描述人的步行，一般是鞋的后跟先着地，然后过渡到整个鞋底着地，继而过渡到鞋尖，最后鞋尖离开地面。本文将人的步行过程简化成3个步态即鞋的后跟着地，整个鞋底着地，鞋尖着地。本文使用ANSYS的LSDYNA模拟人步行的三个步态，进行动态分析。本文用钢板替代地面，让鞋底分别与钢板成30，0，30冲击地面，冲击速度为3M/S，以此来模拟人步行过程的3个步态。42计算分析过程421模型的建立鞋子的模型仍使用PROE建立的模型，钢板的模型在ANSYS中建立。钢板的模型参数如下长1M，宽06M，高02M。模型的单元一律使用3DSOLID164单元。模型网格划分如下对于鞋底采用ANSYS的SWEEP
42、扫掠生成网格，对于鞋面采用ANSYS的自由网格划分，对于钢板采用ANSYS的MAPPED映射网格划分。图41第二步态的模型网格划分图24422材料的选定本文鞋底的材料为橡胶RUBBER，鞋面的材料为网眼布（用尼龙、聚酯纤维所织成的网眼面料），钢板的材料为钢STEEL。ANSYS的LSDYNA动态分析单位制如下长度M，质量KG，时间S，力N，压力PA。此处单位制与静态分析略有不同。各材料参数如下表表41模型各部分材料参数E（N/M2）（KG/M3）橡胶（RB）610E060451000网眼布248E090451100钢（STEEL）210E09037800423结果及讨论人步行过程三个步态动态分
43、析的应力图如下图42第一步态应力图25图43第一步态应力图的鞋底部分特写图44第一步态应力图的钢板部分特写图45第二步态鞋的应力图图46第二步态应力图鞋底特写26图47第三步态应力图图48第一步态某一单元应力时间图图49第三步态某一单元应力时间图27本文从人步行三个步态的动态分析中得出第一步态的峰值应力为329KPA，第二步态的峰值应力为170KPA，第三步态的峰值应力为390KPA。可以看出第三个步态，鞋尖着地时产生最大的峰值应力，为390KPA。原因大概是因为鞋尖部分的曲率变化尖锐，下落时鞋子与钢板的接触面积比较小，所以峰值应力较大。然而在实际的步行过程中，并不是鞋尖直接落地，而是由后鞋跟
44、落地，慢慢变成全鞋底支撑，再慢慢变成鞋尖支撑，然后鞋尖抬离地面。因此本文的计算模拟有待改进，但仍有一定参考意。从云状图中看出，峰值应力一般产生在鞋尖、鞋后跟边缘，以及鞋面与鞋底的接缝处，破坏与磨损也易在这些部位产生（这与生活经验符合）。因此在制鞋过程中，这些部位要进行强化处理。285总结与展望本文通过使用有限元ANSYS软件，分析研究了3种不同因素，对于鞋子受力所产生应力分布，以及峰值压力的影响。从有限元分析预测中，我们发现鞋底的材料属性是降低鞋底峰值压力的最重要的设计因素。另外鞋底模型的形状也很重要，它能使得鞋底表明应力变化得更加平缓，使穿着起来更加舒适。而鞋底的厚度相对而言不是那么重要。这
45、个结果与学者JASONTAKMANCHEUNG,MINGZHANG10的研究结论类似。运动鞋的核心技术主要体现在材料和结构方面，材料决定了性能，结构决定了功能。但运动鞋的鞋底科技则代表着运动鞋的核心科技，国内、外品牌运动鞋的关键技术也多集中体现在鞋底科技上11。本文还通过使用ANSYS软件的LSDYNA模块，分析研究了人步行过程中的三个步态。从研究结果中看出，峰值应力一般产生在鞋尖、鞋后跟边缘，以及鞋面与鞋底的接缝处，破坏与磨损也易在这些部位产生。因此，在制鞋过程中，这些部位要进行强化处理。如今国内制鞋业的主要问题在于过于注重鞋的创意设计，而缺乏人机工程方面的研究，这与世界的潮流不符，也不能满
46、足人们对于鞋类更高的要求。而随着有限元分析技术的发展，研究人员可以对各种鞋类进行系统的分析研究，摆脱了过去研究依赖大量实验的弊端。当然实验还是需要的，计算机模拟的结果必须与实验相符。有限元分析技术释放了人的想象力，人们可以将各种影响因素通过计算机模拟出来，进行分析研究，并建立起鞋子制作的指导方针。尤其是，对于运动场的高端鞋类和临床医学中的治疗鞋。在鞋类的制作过程中引入有限元法，这将会是未来制鞋类研究的主流方向。29参考文献1JINRAECHO,SEUNGBUMPARKLANDINGIMPACTANALYSISOFSPORTSSHOESUSING3DCOUPLEDFOOTSHOEFINITEEL
47、EMENTMODELJJOURNALOFMECHANICALSCIENCEANDTECHNOLOGY,232009258325912RICARDOLACTIS,LILIANABVENTURAMULTIPLUGINSOLEDESIGNTOREDUCEPEAKPLANTARPRESSUREONTHEDIABETICFOOTDURINGWALKINGJINTERNATIONALFEDERATIONFORMEDICALANDBIOLOGICALENGINEERING,2008463633713WANJINCHUNG,SUNGHWANKIM,KIHOONSHINAMETHODFORPLANARDEVEL
48、OPMENTOF3DSURFACESINSHOEPATTERNDESIGNJJOURNALOFMECHANICALSCIENCEANDTECHNOLOGY,222008151015194HROUHANI,XCREVOISIER,JFAVRE,KAMINIANOUTCOMEEVALUATIONOFANKLEOSTEOARTHRITISTREATMENTSPLANTARPRESSUREANALYSISDURINGRELATIVELYLONGDISTANCEWALKINGJCLINICALBIOMECHANICS,2620113974045MATTHEWANURSE,BENNOMNIGGQUANTIFYINGARELATIONSHIPBETWEENTACTILEANDVIBRATIONSENSITIVITYOFTHEHUMANFOOTWITHPLANTARPRESSUREDISTRIBUTIONSDURINGGAITJCLINICALBIOMECHANICS,1419996676726REINHARDSCHUH,HANSJOERGTRNKA,ANTONSABOBIOMECHANICSOFPOSTOPERATIVES
