[增材]运动鞋底的晶格优化设计

Abaqus结合Tosca可快速设计点阵结构，并对其材料性能进行预测，同时应用Abaqus新增增材制造插件（AM Plug-In）快速AM工艺设置，仿真3D打印过程。

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