CN110236260A - 基于负泊松比元胞结构的鞋 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于负泊松比元胞结构的鞋，包括：鞋底、鞋垫和支承气垫；所述支承气垫包括底面部分、后跟部分和气垫部分，所述后跟部分形成于所述底面部分的后侧且向上延伸，所述气垫部分设于所述底面部分的底部，所述气垫部分内形成有储气腔，所述气垫部分表面设有连通所述储气腔的通气孔；所述鞋底和鞋垫均包括由多个负泊松比元胞沿三维方向排列而成的负泊松比元胞结构层；所述底面部分夹设于所述鞋底和鞋垫之间。本发明所述鞋垫和鞋底中都设有负泊松比元胞结构，由负泊松比元胞在三维方向上排列构成，具有负泊松比效应，使得本发明提出的鞋可以充分吸收外部载荷能量，具有很好的缓冲、减震和抗冲击的效果。
Description
技术领域
本发明属于鞋类技术领域，具体涉及一种基于负泊松比元胞结构的鞋。
背景技术
随着生活质量的不断提高，人们对各类生活物品的要求越来越高。鞋是人们日常生活中必不可少的装备之一，在日常出行中，鞋子发挥着不可忽视的作用。
目前市场上大部分的鞋子主要由鞋面、鞋垫、鞋底以及鞋头四个部分组成，其中鞋垫主要是纺织布料或者橡胶制成，鞋底主要由橡胶制成，鞋头和鞋面主要是由纺织布料制成，这些鞋在散热以及人在运动时对脚部的保护作用等方面有不足之处。
泊松比是指材料在单向受拉或受压时，横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值，也叫横向变形系数，它是反映材料横向变形的弹性常数。负泊松比效应，是指受拉伸时，材料在弹性范围内横向发生膨胀，而受压缩时，材料在弹性范围内横向发生收缩的现象。负泊松比材料相比传统的正泊松比材料(自然界里常见的)而言，由于具有不同于普通材料的独特性质，在很多方面具备了其他材料所不能比拟的优势，尤其是材料的物理机械性能有了很大的提高，如提高了材料的剪切模量、材料的抗缺口性能、抗断裂性能以及材料的回弹韧性。
负泊松比材料在我们生活中的运用越来越广泛，由于负泊松比材料具有优良的缓冲吸能性能，故可将其运用到特定的场合。在受到外界压缩应力作用时负泊松比材料垂直于受力方向的横向发生收缩，受力方向发生膨胀，膨胀可以抵消外界应力的作用，从而可以达到良好的吸能减震效果。
申请号为201621226336.0的专利文献公开了一种3D打印鞋垫，包括由填充单元编织而成的具有镂空结构的支撑层，所述镂空结构分布于支撑层的表面及内部，所述镂空结构为填充单元本身的镂空部分，和/或由相邻填充单元编织形成。该3D打印鞋垫是采用一般的材料制成，缓冲减震性能不够，对人体脚的保护作用也不够。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种基于负泊松比元胞结构的鞋，旨在解决现有的鞋子结构复杂、缓冲减震性能差及不透气的问题。
为实现上述目的，本发明提出一种基于负泊松比元胞结构的鞋，包括：鞋底、鞋垫和支承气垫；所述支承气垫包括底面部分、后跟部分和气垫部分，所述后跟部分形成于所述底面部分的后侧且向上延伸，所述气垫部分设于所述底面部分的底部，所述气垫部分内形成有储气腔，所述气垫部分表面设有连通所述储气腔的通气孔；所述鞋底和鞋垫均包括由多个负泊松比元胞沿三维方向排列而成的负泊松比元胞结构层；所述底面部分夹设于所述鞋底和鞋垫之间。
优选地，所述鞋垫还包括鞋垫面层和鞋垫底层，所述鞋垫的负泊松比元胞结构层夹设于所述鞋垫面层和鞋垫底层之间；所述鞋垫的负泊松比元胞结构层的相邻层的负泊松比元胞的大小由上至下按梯度依次减小。
优选地，所述鞋底还包括鞋底面层和鞋底底层，所述鞋底的负泊松比元胞结构层夹设于所述鞋底面层和鞋底底层之间；所述鞋底的负泊松比元胞结构层中，每个负泊松比元胞的胞孔内、相邻接的负泊松比元胞之间填充有蜂窝状的泡沫。
优选地，所述支承气垫还包括设于所述底面部分的前侧的左右侧的脚趾骨保护部、设于后跟部分内侧的后跟保护部，所述脚趾骨保护部和后跟保护部采用整体软胶，或整体海绵，或整体棉布，或包裹着海绵的软胶，或包裹着棉布的软胶。
优选地，所述储气腔包括分别位于气垫部分前、后侧的两个，两所述储气腔通过通气管道相连接。
优选地，所述后跟部分为采用树脂基复合材料或塑胶制成的网状。
优选地，还包括鞋面和设于鞋面前侧的鞋头，所述鞋面采用由尼龙或聚酯纤维制成的网眼布料；所述鞋头包括鞋头面层、鞋头中间层和鞋头底层，所述鞋头中间层也采用所述负泊松比元胞结构层，所述鞋头面层和鞋头底层采用海绵垫。
优选地，所述负泊松比元胞结构层采用负泊松比结构材料由3D打印而成，所述负泊松比结构材料包括金属、橡胶、泡沫中的一种或几种，所述负泊松比元胞结构层的层数为2～5。
优选地，所述负泊松比元胞包括两上侧薄壁和与两上侧薄壁分别对应的两下侧薄壁，两所述上侧薄壁和两所述下侧薄壁均为下底开口的等腰梯形状；所述下侧薄壁的高度小于所述上侧薄壁的高度，所述下侧薄壁的下底长度等于所述上侧薄壁的下底长度；两所述上侧薄壁的上底相互正交，两所述下侧薄壁相互正交；所述下侧薄壁设于对应的所述上侧薄壁内，所述下侧薄壁的两腰的底端分别与对应的上侧薄壁的两腰的底端连接。
优选地，所述负泊松比元胞采用第一材料和第二材料通过3D打印而成，所述上侧薄壁采用第一材料，所述下侧薄壁采用第二材料，所述第一材料的硬度大于第二材料的硬度。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果：
一，本发明所述鞋垫和鞋底中都设有负泊松比元胞结构，由负泊松比元胞在三维方向上排列构成，具有负泊松比效应，使得本发明提出的鞋可以充分吸收外部载荷能量，具有很好的缓冲、减震和抗冲击的效果。
二，本发明提出的鞋由于采用了负泊松比元胞结构，元胞内具有胞孔，相邻元胞之间存在间隙，鞋底鞋垫的质量都比一般塑胶鞋底鞋垫的质量轻，从而提高脚的舒适度，胞孔和间隙的存在还有助于空气的流通，起到除臭的效果。
三，鞋底和鞋垫之间设有支承气垫，支承气垫的底面部分和后跟部起到支承作用，支承气垫的气垫部分起到缓冲作用，气垫部分结合上下两面的负泊松比结构的鞋垫和鞋底一起，进一步提升抗疲劳和减震抗冲击效果。
四，本发明还在鞋底的每个负泊松比元胞的胞孔内、相邻接的负泊松比元胞之间填充填充物，填充物可以是蜂窝状的泡沫，泡沫填充物在保证轻量化的基础上，进一步地提高了承载能力，能够防止负泊松比元胞结构的各薄壁在受到碰撞冲击时产生严重的剪切变形受损，一定程度上提高了负泊松比元胞结构的稳定性。
五，本发明所述鞋垫、鞋底和鞋头各部分采用的负泊松比结构中，各层的负泊松比元胞的大小由上至下按一定梯度递减，即从底层部分到面层部分密度逐渐增加，这样能够产生连续性的梯度效果，相比每层元胞大小相同的负泊松比结构，具有更好的吸能缓冲。
六，本发明所述负泊松比结构层可以采用不同的多种材料经3D打印而成，位于上部的上侧薄壁采用第一材料制成，位于下部的下侧薄壁采用第二材料制成，使第一材料的硬度大于第二材料的硬度，这样根据不同部位的实际承载力的情况来选择不同硬度的材料制成负泊松比结构，相比常规的采用单种材料打印的负泊松比结构，能起到更好的吸能和缓冲效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明一实施例提出的基于负泊松比元胞结构的鞋的整体结构示意图(支承气垫未示出)；
图2为图1提出的基于负泊松比元胞结构的鞋垫的剖面结构示意图；
图3为图1提出的基于负泊松比元胞结构的鞋底的剖面结构示意图；
图4为图1提出的基于负泊松比元胞结构的鞋头的剖面结构示意图；
图5为图1提出的基于负泊松比元胞结构的鞋中负泊松比元胞等梯度排列时的剖面结构图；
图6为图1提出的基于负泊松比元胞结构的鞋中负泊松比元胞单个的结构图；
图7为图1提出的基于负泊松比元胞结构的鞋中负泊松比元胞两个的排列结构图；
图8为图1提出的基于负泊松比元胞结构的鞋中负泊松比元胞四个的排列结构图；
图9为图1提出的基于负泊松比元胞结构的鞋中负泊松比元胞在受到正压力时的变形特征示意图；
图10为图1提出的基于负泊松比元胞结构的鞋中负泊松比元胞在受到横向载荷时的变形特征示意图；
图11为图1提出的基于负泊松比元胞结构的鞋中支承气垫的结构示意图。
本发明的附图标号说明：
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提出一种基于负泊松比元胞结构的鞋。
请参照图1至图11，基于负泊松比元胞结构的鞋，包括鞋垫1、鞋底2、支承气垫6、鞋头3和鞋面4，图1为省去支承气垫6部分后的鞋的结构示意图。
鞋垫1包括由上至下依次设置的鞋垫面层1-1、鞋垫中间层1-2和鞋垫底层1-3。鞋底2包括由上至下依次设置的鞋底面层2-1、鞋底中间层2-3和鞋底底层2-4。鞋垫中间层1-2和鞋底中间层2-3都采用负泊松比元胞结构，包括两层或两层以上的负泊松比元胞结构层，每层负泊松比元胞结构包括多个负泊松比元胞。
具体在本实施方式中，单个负泊松比元胞5的形状为：两个上侧薄壁5-1和两个下侧薄壁5-2都为下底开口的等腰梯形状，即没有下底边，上侧薄壁5-1的上底长度等于下侧薄壁5-2的上底长度，上侧薄壁5-1的高度大于下侧薄壁5-2的高度，上侧薄壁5-1的下底长度大于下侧薄壁5-2的下底长度，使得，下侧薄壁5-2能够容置在上侧薄壁5-1内，且上侧薄壁5-1的两腰的底端与下侧薄壁5-2的两腰的底端分别连接为一体，并且，两上侧薄壁相互正交，两下侧薄壁相互正交，由此，两上侧薄壁和两下侧薄壁构成一个立体的晶胞单元。
多个负泊松比元胞在水平方向横向、纵向延伸排列，且每相邻两负泊松比元胞5于两腰的底端位置处相连接，由此形成一层负泊松比元胞结构层。负泊松比元胞5在上下方向上也延伸排列时，位于上层的下侧薄壁5-2的下底与位于下层的上侧薄壁5-1的上底连接为一体。由此构成的负泊松比元胞结构具有如下特性：当受到外部沿上下方向的正压力时，下层的负泊松比元胞的上底会顶住上层的负泊松比元胞的下底，使得负泊松比元胞在竖直方向上变长，在水平方向上变窄；当受到外部沿水平方向的压力时，负泊松比元胞在水平方向上变宽，在竖直方向上变矮。
具体在本实施方式中，鞋底2和鞋垫1采用的负泊松比结构，位于上层的负泊松比元胞比位于下层的负泊松比元胞大，由上至下地按一定比例呈梯度减小，这种负泊松比梯度结构，使得外部载荷压力在经过每层负泊松比元胞结构层时，能量不断削弱，到下方的载荷作用就依次减小，从而进一步增强缓冲减震功能。
支承气垫6包括底面部分6-1、后跟部分6-2和气垫部分6-3，底面部分6-1的形状与鞋垫1的形状一致，底面部分6-1夹在鞋底2和鞋垫1之间，底面部分6-1的后跟位置处向上延伸有后跟部分6-2。后跟部分6-2的截面为U型，向上延伸一定高度，能将脚踝包覆住，后跟部分6-2采用塑胶、树脂基复合材料、弹性硬纸板、橡塑复合材料等材料制成，由此保证具有一定的强度和韧性，对脚踝相对于鞋内的活动起到支承作用，并且，后跟部分6-2设计为网状，在保证支承性能的同时，还保证了透气性。具体在制作时，底面部分6-1和后跟部分6-2采用一体成型制成，鞋底的周围侧围合有鞋面，鞋面的对应后跟处的位置可以采用两层帆布构成，再将后跟部分6-2夹设在两层帆布之间进行定位。
气垫部分6-3设于底面部分6-1的底部，与底面部分6-1的下底面贴合，气垫部分6-3内形成有储气腔，并且，具体在本实施方式中，储气腔包括分别位于前、后位置的相互分离的两个，前方储气腔和后方储气腔之间通过通气管道6-4进行连接，两储气腔都设有连通至外部的通气孔。气垫部分6-3采用橡胶等材料制成。当人在行走时，前脚掌先着地施力，把前方的储气腔往下压，前方储气腔内的气体会从侧面的通气孔排出，或通过通气管道进入后方的储气腔内，为后方的储气腔补充气体。然后，当后脚跟压后方的储气腔时，后方储气腔内的空气又通过通气管道压入前方储气腔内，使气垫部分的前侧回弹，再随着人向前走动，重复脚掌着地再后跟着地的过程，两储气腔内的空气往复流动，形成一个动态平衡的过程，起到良好的缓冲和减震效果。
由此，本发明提出的鞋，一是，鞋底2和鞋垫1都采用了负泊松比元胞结构，负泊松比元胞的负泊松比效应可以充分吸收外部载荷能量，达到缓冲、减震的效果；二是，由于采用了负泊松比元胞结构，元胞内具有胞孔，相邻元胞之间存在间隙，鞋底鞋垫的质量都比一般塑胶鞋底鞋垫的质量轻，从而提高脚的舒适度，胞孔和间隙的存在还有助于空气的流通，起到除臭的效果；三是，鞋底2和鞋垫1之间设有支承气垫6，支承气垫6的底面部分6-1和后跟部分6-2起到支承作用，支承气垫6的气垫部分6-3起到缓冲作用，气垫部分6-3结合上下两面的负泊松比结构的鞋垫和鞋底一起，具有非常好的抗疲劳和减震抗冲击效果。
进一步地，在支承气垫6的底面部分的前侧的左右侧，设有脚趾骨保护部，在底面部分的后端，位于后跟部分的内侧，设有后跟保护部，脚趾骨保护部和后跟保护部可以采用整体软胶，或整体海绵，或整体棉布，或包裹着海绵的软胶，或包裹着棉布的软胶制成，能有效保护脚趾骨和脚后跟。
进一步地，鞋底2的负泊松比元胞结构层中，每个负泊松比元胞的胞孔内、相邻接的负泊松比元胞之间填充填充物2-2，填充物2-2可以是蜂窝状的泡沫。泡沫填充物在保证轻量化的基础上，进一步地提高了承载能力，能够防止负泊松比元胞结构的各薄壁在受到碰撞冲击时产生严重的剪切变形受损，一定程度上提高了负泊松比元胞结构的稳定性。
进一步地，鞋头3包括鞋头面层3-1、鞋头中间层3-2和鞋头底层3-3，鞋头中间层3-2也采用与鞋垫中间层1-2、鞋底中间层2-3一样的负泊松比结构，并且，鞋头面层和鞋头底层采用海绵垫，若有重物砸到鞋头时，海绵垫与负泊松比结构的结合能有效保护脚部，而为了保证鞋头的散热性能，在鞋头中间层的负泊松比结构内不填充泡沫填充物。
进一步地，鞋面4采用由尼龙或聚酯纤维制成的网眼布料制成，这种网面结构可以有效减轻鞋子的重量，增加鞋子的透气功能，并且，由于网面材质柔软，在运动时能避免对脚部的伤害，对脚部起到进一步的保护作用。
在以上的实施方式中，鞋垫中间层1-2、鞋底中间层2-3和鞋头中间层3-2采用的负泊松比结构，可以采用金属、橡胶、泡沫的一种或几种经3D打印而成，既可以是由多种材料混合构成的均质材料，也可以是在不同的结构部位采用不同的材料。
每个负泊松比元胞的上侧薄壁5-1使用第一材料制成，下侧薄壁5-2采用第二材料制成，在采用3D打印时通过先打印下侧薄壁5-2再打印上侧薄壁5-1这种分别打印的模式就可实现，由于下侧薄壁5-2相比上侧薄壁5-1承受的力更小，在本实施方式中，所采用的第一材料的硬度和强度比第二材料的硬度和强度都高，第二材料软一些，这样能起到更好的吸能、缓冲效果，还能一定程度的延长使用寿命。
在现有技术中，已经有多种采用多种材料进行零件成型的3D打印技术，如光固化成型技术、直接能量沉积成型技术、粉末烧结技术等。在本实施方式中，可以采用光固化成型技术SLA技术开发的多材料成型系统进行负泊松比结构的3D打印，多材料成型系统是采用自动切换多个装有不同材料的旋转材料槽进行成型材料的供给，由此可以实现多种材料零件的成型。以金属和橡胶两种材料为例，首先将橡胶材料放入装料室，通过调压阀调节喷嘴的压力，使得橡胶材料能够均匀地通过喷嘴形成射流沉积到衬底上，当打印金属材质的负泊松比结构时，先将剩余的橡胶废料清理出装料室，然后将金属材料加入装料室，由工作台和电压系统结合，再次打印，直到具有梯度的负泊松比结构打印完毕。
比吸能(SEA，Specific Energy Absorption)是指结构单位重量所吸收的能量，峰值冲击力是指物体在碰撞或打击过程中受到力的最大值。将负泊松比结构填充于鞋垫和鞋底，并进行多目标优化设计，以比吸能和峰值冲击力作为设计目标，通过对负泊松比结构选取合适的尺寸，并构建仿真模型，建立相应的响应面模型，通过对比可以发现：相对于传统鞋具，优化后的比吸能提高了4.32％，峰值冲击力减少了7.16％。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于负泊松比元胞结构的鞋，其特征在于，包括：鞋底、鞋垫和支承气垫；
所述支承气垫包括底面部分、后跟部分和气垫部分，所述后跟部分形成于所述底面部分的后侧且向上延伸，所述气垫部分设于所述底面部分的底部，所述气垫部分内形成有储气腔，所述气垫部分表面设有连通所述储气腔的通气孔；所述鞋底和鞋垫均包括由多个负泊松比元胞沿三维方向排列而成的负泊松比元胞结构层；所述底面部分夹设于所述鞋底和鞋垫之间。
2.如权利要求1所述的基于负泊松比元胞结构的鞋，其特征在于，所述鞋垫还包括鞋垫面层和鞋垫底层，所述鞋垫的负泊松比元胞结构层夹设于所述鞋垫面层和鞋垫底层之间；所述鞋垫的负泊松比元胞结构层的相邻层的负泊松比元胞的大小由上至下按梯度依次减小。
3.如权利要求1所述的基于负泊松比元胞结构的鞋，其特征在于，所述鞋底还包括鞋底面层和鞋底底层，所述鞋底的负泊松比元胞结构层夹设于所述鞋底面层和鞋底底层之间；所述鞋底的负泊松比元胞结构层中，每个负泊松比元胞的胞孔内、相邻接的负泊松比元胞之间填充有蜂窝状的泡沫。
4.如权利要求1所述的基于负泊松比元胞结构的鞋，其特征在于，所述支承气垫还包括设于所述底面部分的前侧的左右侧的脚趾骨保护部、设于后跟部分内侧的后跟保护部，所述脚趾骨保护部和后跟保护部采用整体软胶，或整体海绵，或整体棉布，或包裹着海绵的软胶，或包裹着棉布的软胶。
5.如权利要求1所述的基于负泊松比元胞结构的鞋，其特征在于，所述储气腔包括分别位于气垫部分前、后侧的两个，两所述储气腔通过通气管道相连接。
6.如权利要求1所述的基于负泊松比元胞结构的鞋，其特征在于，所述后跟部分为采用树脂基复合材料或塑胶制成的网状。
7.如权利要求1所述的基于负泊松比元胞结构的鞋，其特征在于，还包括鞋面和设于鞋面前侧的鞋头，所述鞋面采用由尼龙或聚酯纤维制成的网眼布料；所述鞋头包括鞋头面层、鞋头中间层和鞋头底层，所述鞋头中间层也采用所述负泊松比元胞结构层，所述鞋头面层和鞋头底层采用海绵垫。
8.如权利要求5所述的基于负泊松比元胞结构的鞋，其特征在于，所述负泊松比元胞结构层采用负泊松比结构材料由3D打印而成，所述负泊松比结构材料包括金属、橡胶、泡沫中的一种或几种，所述负泊松比元胞结构层的层数为2～5。
9.如权利要求1或7所述的基于负泊松比元胞结构的鞋，其特征在于，所述负泊松比元胞包括两上侧薄壁和与两上侧薄壁分别对应的两下侧薄壁，两所述上侧薄壁和两所述下侧薄壁均为下底开口的等腰梯形状；所述下侧薄壁的高度小于所述上侧薄壁的高度，所述下侧薄壁的下底长度等于所述上侧薄壁的下底长度；两所述上侧薄壁的上底相互正交，两所述下侧薄壁相互正交；所述下侧薄壁设于对应的所述上侧薄壁内，所述下侧薄壁的两腰的底端分别与对应的上侧薄壁的两腰的底端连接。
10.如权利要求9所述的基于负泊松比元胞结构的鞋，其特征在于，所述负泊松比元胞采用第一材料和第二材料通过3D打印而成，所述上侧薄壁采用第一材料，所述下侧薄壁采用第二材料，所述第一材料的硬度大于第二材料的硬度。
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