基于鸵鸟足垫优异缓冲特性的运动鞋缓震中底仿生研究

发布时间:2018-01-05 03:21

  本文关键词:基于鸵鸟足垫优异缓冲特性的运动鞋缓震中底仿生研究 出处:《吉林大学》2017年硕士论文 论文类型:学位论文


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【摘要】:基于鸵鸟足垫优异的缓冲性能并受到这一性能的启发,以鸵鸟足垫为生物原型,基于三维激光扫描技术、核磁共振成像技术及逆向工程技术,并结合工程仿生学原理,将鸵鸟足垫应用于运动鞋中底的结构和材料仿生设计,得到了一种新型的具有优良缓震性能的仿生运动鞋中底。利用有限元分析软件,对鞋底进行冲击工况下的数值模拟,并进行实物样本加工,结合简易冲击试验台的实物冲击试验,对仿生中底缓震性能进行评估。通过鞋垫式足底压力系统对“足-鞋”界面参数进行提取,完成中底缓震性能评估,研制出一种具有优良缓震特性的运动鞋中底。本研究可为缓震中底的设计提供全新的设计思路和理论依据。通过外场实验,结合高速摄像系统和足底压力测试系统对鸵鸟足运动学数据进行捕捉,测试发现鸵鸟奔跑过程触地期足部竖直方向最大速度约为1.339m/s,为后续鸵鸟足垫缓冲性能有限元分析提供输入和对照参数。使用核磁共振成像技术对鸵鸟足垫进行切片扫描,通过Mimics对组织结构进行提取,通过Geomagic Studio进行三维模型细化和组装,完成鸵鸟足垫三维模型重构。通过大体解剖观察及宏观测量技术,对鸵鸟足垫内部三条趾缓冲垫分布情况及尺寸进行测量分析;通过生物力学相关实验,对鸵鸟足垫参数进行提取,包括硬度、弹性模量及密度,为有限元分析及仿生设计提供参数基础。采用Abaqus软件进行足垫有限元模型建立及分析。通过静态承压模拟,对承载特性进行分析,研究发现,鸵鸟足垫具有优良的承载性能。通过模态分析,对动刚度及稳定性进行分析,研究发现,鸵鸟足垫具有较强的动刚度,并且振型模态主要以旋转为主。通过动态着地数值模拟,对鸵鸟足垫模型缓冲特性进行分析,测试指标包括负加速度峰值及冲击力峰值等,研究表明,鸵鸟足垫具有优良的缓冲性能,能够有效削弱地面冲击,对足部骨骼肌肉系统起到重要的保护作用。使用手持式三维激光扫描仪进行运动鞋鞋底外轮廓三维点云数据获取。根据鸵鸟足垫的材料和结构以及相互组装关系,以鸵鸟足垫为仿生原型,进行仿生运动鞋中底结构和材料的耦合仿生设计。进行仿生运动鞋中底冲击工况数值模拟,完成实物加工,利用实验室自行研制的冲击试验台对运动鞋仿生中底及普通中底进行冲击分析,验证其优良缓震性能。通过试验与数值模拟相互结合的方法,对运动鞋中底缓震特性进行分析。研究表明,仿生鞋底有效削减冲击过程的负加速度峰值及冲击力峰值,起到优良的吸能缓震作用。通过F-scan鞋垫式足底压力测试系统对运动鞋仿生中底和普通中底的缓震性能进行分析,主要测试区域为运动鞋中底的前掌区及后跟区。研究发现,相比具有普通中底的运动鞋,穿着具有仿生中底的运动鞋可有效减小足底峰值压强、均值压强、峰值压力、压力-时间积分以及压强-时间积分,起到优良的缓震效果。据此得出,仿生运动鞋中底能够有效缓解足部负担,增强足部舒适感,并降低运动损伤几率。本研究将为高质量缓震运动鞋中底的研制提供新思路。
[Abstract]:The ostrich foot cushioning pad inspired and affected by this excellent performance based on the ostrich foot pad as biological prototype, 3D laser scanning technology based on magnetic resonance imaging technology and reverse engineering technology, and combined with the principle of bionics, the ostrich foot pad is applied to the structure and material of the bionic sports shoes at the end of the design, the a new type of bionic sports shoes excellent cushioning midsole. Using finite element analysis software, numerical simulation of the impact of working conditions on the sole, and sample processing, the real impact test with simple impact test, to evaluate the bionic bottom cushioning. Through the interface parameters of foot and shoes are the insole plantar pressure system extraction, complete bottom cushioning performance evaluation, developed a kind of sports shoes with excellent cushioning properties in the bottom. This study can provide for the design of bottom corrosion epicenter Design ideas and new theoretical basis. Through field experiments, combined with high speed camera system and plantar pressure test system to capture the kinematic data of the ostrich, ostrich run test showed that the maximum speed vertical foot touchdown period is about 1.339m/s, provide input and control parameters for the finite element analysis of cushioning pad. Subsequent ostrich foot of ostrich foot pad slice scanning using magnetic resonance imaging technology, based on the organization structure of Mimics extraction, 3D model refinement and assembled by Geomagic Studio, 3D model reconstruction of ostrich foot pad. The gross anatomy observation and macro measurement technology of ostrich foot pad inside the three toe pad distribution and size were measured by analysis; biomechanical experiment, parameters of the ostrich foot pad was extracted, including hardness, elastic modulus and density for finite element analysis and Provide parameters based bionic design. Establishment and analysis of foot finite element model by Abaqus software. Through the simulation of static pressure, bearing characteristics analysis, the study found that the ostrich foot pad bearing has excellent performance. Through modal analysis, the dynamic stiffness and stability analysis, the study found that the ostrich foot pad has strong dynamic stiffness and modal to rotation. Through a dynamic numerical simulation model of the ostrich foot pad cushioning properties were analyzed, including test index of negative peak acceleration and peak impact force. The research shows that the ostrich foot pad has excellent cushioning properties, can effectively reduce the ground impact, protective effect important on the foot of the musculoskeletal system. Using a hand-held 3D laser scanner point cloud data for sports shoes contour acquisition. According to the material and structure of ostrich foot pad to The assembly and mutual relations, with the ostrich foot pad as the bionic prototype, coupling bionic design of bionic sports shoes at the end of material and structure. Numerical simulation of bottom impact conditions for bionic sports shoes, to complete the material processing, impact test rig developed by using laboratory to analyze the impact of sports shoes in the bottom and bottom in common bionic. Verify the excellent cushioning performance. Through the combination of experiment and numerical simulation, the shoe bottom cushioning characteristics were analyzed. The results show that the negative peak acceleration and peak impact force for effectively reducing the impact process of bionic sole, has excellent energy absorption cushioning effect. And to analyze the cushioning performance of ordinary in the bottom of the shoe bottom bionic through F-scan insole plantar pressure test system, the main test area for the forefoot area and the heel area of sports shoes at the end of the study found that, compared with the ordinary in the bottom Sports shoes, wearing sports shoes with bionic midsole can effectively reduce plantar peak pressure, mean pressure, peak pressure, pressure time integral and pressure time integral, the cushioning effect is good. Concludes that the bionic sports shoes at the end of the foot can effectively alleviate the burden, enhance foot comfort and reduce movement the probability of injury. This study will provide new ideas for the development of high quality corrosion in the bottom of the shock of sports shoes.

【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TS943.74;Q811

【参考文献】

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本文编号:1381348

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