一种具有负泊松比效应的鞋及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种具有负泊松比效应的鞋及其设计方法，其技术的关键在于鞋底、鞋垫的负泊松比微结构设计和材料选择。根据负泊松比材料良好的能量吸收、回弹韧性和抗凹陷性等特点，使负泊松比鞋垫和鞋底穿戴更加轻盈舒适。简要设计步骤为：首先，确定使用者的脚部尺寸、受力条件和使用需求；然后，设计具有负泊松比效应的周期性微结构，利用3d建模软件绘制鞋底和鞋垫的模型；最后，选择基础材料进行3D打印。本发明专利技术制作的鞋可以根据使用者尺寸和需求进行设计，具有轻盈透气、减震和特殊工况使用等优异性能。

A Shoe with Negative Poisson's Ratio Effect and Its Design Method

【技术实现步骤摘要】
一种具有负泊松比效应的鞋及其设计方法
本专利技术涉及一种通过设计具有负泊松比效应的微结构，提出了具有负泊松比效应的鞋的设计和制备方法，属于新材料和新结构领域。
技术介绍
负泊松比材料在变形过程中常常表现出反直觉的变形行为，在单轴压力(拉力)下，传统材料在垂直于荷载方向上发生膨胀(收缩)，而负泊松比材料却沿横向收缩(膨胀)。负泊松比微结构多种多样，如：内凹结构、旋转多边形结构、手性结构、片状褶皱结构、穿孔板结构和纺织材料相关结构等。其中负泊松比旋转多边形结构产生负泊松比效应的原理是，系统受力后刚性多边形绕顶点旋转展开(回缩)，整体结构膨胀(收缩)。Lakes在Science首次报道了人造负泊松比材料，通过将聚氨酯泡沫放入铝制模具中，并对其进行压缩、加热、冷却和松弛处理获得了具有特殊内凹结构的负泊松比聚氨酯泡沫。此后，人造负泊松比材料大量涌现，负泊松比材料和结构迅速发展。3D打印是一种直接数字化制造，由三维实体直接制造出实体。3D打印制造的是完全定制的、个性的独特产品，可以做到仅此一件。传统的负泊松比材料的制作方法不能实用化，负泊松比效应不能按预期展现于产品中。运用3D打印技术可以很好弥补传统制作方法的缺陷，扩展负泊松比材料的实际运用。采用负泊松比多孔材料制作缓冲和保护装置，如鞋垫和鞋底，具有比传统材料更轻薄和吸能效果更好的特点，在起到保护作用的同时还可以提供使用者更好的舒适性。鞋子的使用用途多种多样包含：跑步、休闲、足训、防水、耐化学腐蚀等。3D打印技术的发展至今，打印机型层出不穷，根据工艺成型不同材料多种多样。目前，3D打印可作为鞋子和鞋垫基础材料的如：乙烯乙酸共聚物(EVA)、橡胶(RB)、热塑性聚氨酯弹性体(TPU)、聚氯乙烯(PVC)、丙烯氰-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚丙烯(PP)、聚氨酯等(PU)。根据鞋子和鞋垫实际用途，采用不同的工艺和基础材料，满足了定制化需求。本专利技术将负泊松比结构和3D打印制造工艺相结合，设计和制作具有负泊松比效应的鞋底和鞋垫，根据使用者的脚部形状和受力特性可以定制化设计，并进行3D打印，能在冲击荷载和拉伸应变下均表现出负泊松比特性，具有较好的抗震和耐磨等特性。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的不足，将负泊松比微结构设计和3D打印技术相结合，设计和制造了具由负泊松比效应的鞋，并提出了具体设计方法，负泊松比鞋具有较传统更好的抗震、透气和防滑等特性。本专利技术采用的技术方案为：一种具有负泊松比效应的鞋，包括鞋底和鞋垫，所述鞋底和鞋垫为具有负泊松比效应的有限元分析设计的周期性微结构；所述鞋底和鞋垫周期性微结构包含：内凹结构、旋转多边形结构、手性结构、片状褶皱结构、穿孔板结构和纺织材料结构；所述鞋底和鞋垫旋转多边形结构基于旋转机制，初始立方体单元由一个实心球体和六个立方体组成，优化连接曲面作为建筑单元；所述鞋底和鞋垫旋转多边形结构建筑单元的立方体边缘直径长度比率R满足：作为优选，所述立方体边缘直径长度比率R为1.248。所述鞋底和鞋垫使用需求包含：慢跑、休闲、足训、耐磨、绝缘、耐挠曲、抗化学药品。所述鞋垫和鞋底为满足穿戴：鞋垫和鞋底干摩擦13000次、湿摩擦13000次后未出现磨透、表面布层磨掉或明显起球。所述鞋垫和鞋底为满足穿戴戴舒适满足：在反复的干燥、润湿环境下，鞋垫和鞋底线性(横向和纵向)收缩率p满足：1.5％＜p＜1.8％。所述鞋底和鞋垫基础材料满足：通过改变基础材料各反应组分的配比，达到目标硬度和性能。上述一种具有负泊松比效应衬垫的鞋的设计方法，包括以下步骤：(1)根据人体工程学测绘使用者的脚部尺寸、运动受力点和使用环境；(2)设计鞋底和鞋垫的周期性微结构，包含内凹结构、旋转多边形结构、手性结构、片状褶皱结构、穿孔板结构和纺织材料结构；根据步骤(1)的人体脚部尺寸建立鞋底和鞋垫三维模型；具有负泊松比效应的周期性微结构设计过程如下：①设计屈曲诱导负泊松比超材料；基于旋转机构的概念设计了简单的三维单位单元，R是球的直径与立方体的边长之比，在范围内；以一个单位单元为中心，用相同的单元通过连杆进行连接，形成了代表性体积元素；建筑单元以三个正常的方向为模板形成了体积超材料，材料块的每条边都由8个单元细胞成，以最大限度地减小尺寸效应，以获得可靠均质的特性；②进行线弹性基础材料初始有限元模型的屈曲分析；材料的选择是任意的弹性体，选用的是杨氏模量为87GP和泊松比0.38的材料，在屈曲诱变分析中使用特征求解器设置边界条件以获得有效的屈曲模型，除了顶部表面的加载方向上上的节点运动外，有限元模型底部和顶部的所有节点自由度都受到限制；接下来进行屈曲分析，利用子空间特征计算器，利用有限元分析软件进行线性摄动分析；特征值得最大数目设置为20，模型使用固体元素，网孔大小设置为0.31mm，将有限元模型使用网格进行均匀的划分，在单轴压缩条件下进行屈曲分析；③选择理想的屈曲模性；根据负泊松比材料和结构的研究，理想的屈曲模式为交替出现的椭球体模型；从代表性体积元和屈曲分析中获得多种排布的完整模型；根据对比分析，最终选择具有较好对称性椭球体的代表性体积元作为构筑单元；④量化理想的屈曲模式的代表性体积元的形状，并对经过修改的代表性体积元进行成像，形成了大量的超材料；原始结构的屈曲模型是是无量纲的无穷小变形，需要一个比例因子来量化他的形状，从而改变原始的几何模型；传统的屈曲诱导分析方法是将原分歧问题转化为具有给定变形模式的连续响应问题。在此使用模式比例因子(PSF)的方法，它可以确定屈曲模式的大小来改变初始几何形状；以屈曲材料的中心代表性体积元作为指示器；在进行屈曲分析后，只需在所有节点的原始坐标上加上所选模式乘以一个变形尺度因子(DSF)，即可证明标准化的的屈曲模型；使用位于块状材料中心的一个具有代表性的体积元素作为建筑单元来形成块状细胞材料。最终形成了周期性微孔结构；3)根据需求使用弹性基础来料进行3D打印，基础材料的选择可以包含：乙烯乙酸共聚物(EVA)、橡胶(RB)、热塑性聚氨酯弹性体(TPU)、聚氯乙烯(PVC)、丙烯氰-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚丙烯(PP)、聚氨酯，测试鞋垫和鞋底的性能、抗冲击性和舒适性，选择出满足要求的构件。本专利技术产生负泊松比效应的关键在于鞋底和鞋垫的微孔结构的周期性设计。通过单位单元的设计，形成原始的周期性材料块；将材料进行有限元分析，选择出理想的屈曲模型；最终使用模式比例因子(PSF)的方法控制负泊松那个比效应，将代表性体积元进行构筑，形成周期性排布的微孔结构。使用该结构3D打印出来的鞋垫和鞋底，具有很好的负泊松比效应。此外可以通过三维建模根据可以满足定制化需求。有益效果：本专利技术通过材料的微结构设计，使材料具备负泊松比效应。传统的制作方法不能进行细观制备且不能满足实际使用，3D打印技术克服了原来制备方法的缺点，可进行定制化制备一次成型。利用该方法设计出的鞋垫和鞋底具有较好的负泊松比效应，较同类产品具备更好地吸能、抗震、透气和变形等特点。附图说明图1为具有负泊松比效应的鞋底和鞋垫结构示意图；图2为负泊松比效应的微结构单位单元；图3为为负泊松比效应的为节后单位单元的链接方式。具体实施方式为进一步了解本专利技术，下面结合具体实施例和附图对本专利技术做进一步描述：如图1、2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有负泊松比效应的鞋，其特征在于：包括鞋底和鞋垫，所述鞋底和鞋垫为具有负泊松比效应的有限元分析设计的周期性微结构；所述鞋底和鞋垫周期性微结构包含：内凹结构、旋转多边形结构、手性结构、片状褶皱结构、穿孔板结构和纺织材料结构；所述鞋底和鞋垫旋转多边形结构基于旋转机制，初始立方体单元由一个实心球体和六个立方体组成，优化连接曲面作为建筑单元；所述鞋底和鞋垫旋转多边形结构建筑单元的立方体边缘直径长度比率R满足：

【技术特征摘要】
1.一种具有负泊松比效应的鞋，其特征在于：包括鞋底和鞋垫，所述鞋底和鞋垫为具有负泊松比效应的有限元分析设计的周期性微结构；所述鞋底和鞋垫周期性微结构包含：内凹结构、旋转多边形结构、手性结构、片状褶皱结构、穿孔板结构和纺织材料结构；所述鞋底和鞋垫旋转多边形结构基于旋转机制，初始立方体单元由一个实心球体和六个立方体组成，优化连接曲面作为建筑单元；所述鞋底和鞋垫旋转多边形结构建筑单元的立方体边缘直径长度比率R满足：2.根据权利要求1所述的一种具有负泊松比效应的鞋，其特征在于：所述立方体边缘直径长度比率R为1.248。3.根据权利要求1或2所述的一种具有负泊松比效应的鞋的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)根据人体工程学测绘使用者的脚部尺寸、运动受力点和使用环境；(2)设计鞋底和鞋垫的周期性微结构，包含内凹结构、旋转多边形结构、手性结构、片状褶皱结构、穿孔板结构和纺织材料结构；根据步骤(1)的人体脚部尺寸建立鞋底和鞋垫三维模型；具有负泊松比效应的周期性微结构设计过程如下：①设计屈曲诱导负泊松比超材料；基于旋转机构的概念设计了简单的三维单位单元，R是球的直径与立方体的边长之比，在范围内；以一个单位单元为中心，用相同的单元通过连杆进行连接，形成了代表性体积元素；建筑单元以三个正常的方向为模板形成了体积超材料，材料块的每条边都由8个单元细胞成，以最大限度地减小尺寸效应，以获得可靠均质的特性；②进行线弹性基础材料初始有限元模型的屈曲分析；材料的选择是任意的弹性体，选用的是杨氏模量为87GP和泊松比0.3...

【专利技术属性】
技术研发人员：任鑫，王仕龙，韩传镇，张相玉，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32