CN114274500B - 一种基于绝对零刚度结构的隔振鞋中底的3d打印制作方法 - Google Patents

一种基于绝对零刚度结构的隔振鞋中底的3d打印制作方法 Download PDF

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Abstract

一种基于绝对零刚度结构的隔振鞋中底的3D打印制作方法，先确定鞋中底承载级别，鞋中底采用镂空晶格结构，规划晶格单元的排列方式；再给晶格单元设定一个初始构型，使上下刚性臂、主刚性臂组合成上下对称的六边形结构；然后采用有限元仿真对晶格单元的等效刚度进行评估，采用机器学习算法，以晶格单元的等效刚度绝对等于零作为目标功能，对晶格单元特征元件的几何尺寸进行自动搜索，确定满足条件的晶格单元构型；结合设计简约性原则，确定最优零刚度晶格单元；将最优零刚度晶格单元按照鞋中底的晶格结构进行阵列，得到晶格阵列，并根据鞋中底模型进行排布；最后对鞋中底样件进行3D打印；本发明实现了复杂鞋中底结构的一体化、轻量化快速成型。

Description

一种基于绝对零刚度结构的隔振鞋中底的3D打印制作方法
技术领域
本发明属于隔振鞋中底技术领域，具体涉及一种基于绝对零刚度结构的隔振鞋中底的3D打印制作方法。
背景技术
人体的器官对低频段机械振动比较敏感，因此彻底解决隔振系统的低频失效问题，实现具有全频段隔振效果的鞋中底设计，无论是在基础科学、康复医疗，还是人类的日常生活等领域都具有重大的研究意义。近年来，人工构筑的、具有超常规物理性能的超结构一直备受研究人员的关注，通过对内部微结构的合理设计，可以实现自然界极为罕见的新奇特性。交叉融合机器学习算法、模块化设计思路和复合材料3D打印技术，可以实现具有零刚度性能的人工超结构，为实现全频段隔振的鞋中底结构提供了可行方案。
在制造方面，鞋中底结构需要满足严苛的抗疲劳需求，确保足够的使用寿命。3D打印技术为实现高强度复杂结构件的轻量化、一体化成形提供了新的技术手段，其继承了3D打印无模自由成形的技术优势，能够摆脱高昂的模具限制与冗长的工艺流程，大大降低样件的制造与时间成本；此外，3D打印技术赋予了设计更多的自由度，可以兼容多种材料，例如柔性材料、连续纤维增强复合材料等等，在满足不同人群鞋中底定制化需求的同时，保证鞋中底的抗疲劳性能，具有低成本、一体化、轻量化制造的优点。
目前，大部分鞋中底是使用发泡材料、EVA、E-TPU等较软材料来吸收振动。结构避振方面，经常利用波浪或拱桥的形状来到支撑与缓冲的功能。这些鞋中底的隔振性能往往存在两个缺点：首先，为了使鞋中底在最大范围内具有隔振效果(最大程度降低隔振的起始频率)，需要尽量降低体系的等效刚度，或者提升其等效质量，而等效刚度的降低往往会导致鞋底承载能力下降，这两者之间的矛盾使得现有的鞋中底结构在低频段效果较差，或承载能力弱；其次，现有的隔振结构往往是凭借经验设计而成，缺乏有效的理论指导，很难在浩如烟海的设计方案中确定一个隔振效果最优的结构。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种基于绝对零刚度结构的隔振鞋中底的3D打印制作方法，实现了复杂鞋中底结构的一体化、轻量化快速成型。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于绝对零刚度结构的隔振鞋中底的3D打印制作方法，包括以下步骤：
1)根据使用者的体重范围，确定鞋中底的承载级别；鞋中底采用镂空晶格结构，根据其整体尺寸规划晶格单元的排列方式；
2)给晶格单元设定一个初始构型，晶格单元包括上刚性臂4-1，上刚性臂4-1的两端分别和第一主刚性臂2-1、第二主刚性臂2-2的一端通过第一柔性铰链5-1、第二柔性铰链5-2连接，第一主刚性臂2-1、第二主刚性臂2-2的另一端通过第三柔性铰链5-3、第四柔性铰链5-4连接第三主刚性臂2-3、第四主刚性臂2-4的一端，第三主刚性臂2-3、第四主刚性臂2-4的另一端通过第五柔性铰链5-5、第六柔性铰链5-6连接下刚性臂4-2的两端，使上刚性臂4-1、第一主刚性臂2-1、第三主刚性臂2-3、下刚性臂4-2、第四主刚性臂2-4、第二主刚性臂2-2依次组合成上下对称的六边形结构；
第一主刚性臂2-1上端连接有第一辅刚性臂3-1，第三主刚性臂2-3下端连接有第三辅刚性臂3-3，第四主刚性臂2-4下端连接有第四辅刚性臂3-4，第二主刚性臂2-2上端连接有第二辅刚性臂3-2；第一辅刚性臂3-1和第二辅刚性臂3-2之间连接有第一弹性元件6-1，第三辅刚性臂3-3和第四辅刚性臂3-4之间连接有第二弹性元件6-2，第一主刚性臂2-1和第二主刚性臂2-2之间连接有第三弹性元件6-3，第三主刚性臂2-3和第四主刚性臂2-4之间连接第四弹性元件6-4，上刚性臂4-1和下刚性臂4-2之间连接有第五弹性元件6-5；上刚性臂4-1的上方设有负载1，负载1的重力值为Mg，晶格单元在外力作用下被压缩，压缩程度用第四主刚性臂2-4和水平方向的角度θ表示；
晶格单元采用同一种材料制作，通过调整晶格单元的特征尺寸获得指定的力学特性；
3)采用有限元仿真对晶格单元的等效刚度进行评估；采用机器学习算法，以晶格单元的等效刚度绝对等于零作为目标功能，对晶格单元的主刚性臂、辅刚性臂、上刚性臂、下刚性臂、柔性铰链、弹性元件的几何尺寸进行自动搜索，确定满足条件的三种晶格单元构型；
4)为避免鞋中底的使用过程中弹性元件的交叉或压缩，并结合设计简约性原则，确定最优零刚度晶格单元；
5)将最优零刚度晶格单元按照鞋中底的晶格结构进行阵列，得到晶格阵列13，并根据鞋中底模型进行排布；
6)将步骤5)中所设计的鞋中底14的模型文件导入3D打印机15，实现对鞋中底样件的一体化成形。
所述的步骤1)中晶格单元尺寸不超过1cm。
所述的步骤2)中晶格单元的特征尺寸包括主刚性臂、辅刚性臂、上刚性臂、下刚性臂、柔性铰链、弹性元件的几何尺寸，第一主刚性臂2-1的长度a1，第二主刚性臂2-2的长度a2，第一辅刚性臂3-1的长度b1，第二辅刚性臂3-2的长度b2，第三弹性元件6-3、第四弹性元件6-4的弹性系数k1，第一弹性元件6-1、第二弹性元件6-2的弹性系数k2，第五弹性元件6-5的弹性系数k3，第二主刚性臂2-2和第二辅刚性臂3-2之间、第三主刚性臂2-3和第三辅刚性臂3-3之间的角度为θ1，第一主刚性臂2-1和第一辅刚性臂3-1之间、第四主刚性臂2-4和第四辅刚性臂3-4之间的角度为θ2。
所述的步骤3)中确定满足条件的三种晶格单元构型为第一晶格单元构型7、第二晶格单元构型8、第三晶格单元构型9；
满足条件的第一晶格单元构型7的尺寸参数应该满足以下关系：
Figure GDA0003790849690000041
满足条件的第二晶格单元构型8的尺寸参数应该满足以下关系：
Figure GDA0003790849690000042
满足条件的第三晶格单元构型9的尺寸参数应该满足以下关系：
Figure GDA0003790849690000043
所述的步骤4)中确定第一晶格单元构型7为最优零刚度晶格单元。
3D打印技术对鞋中底进行制作时选择的材料包括柔性材料、软胶、连续纤维增强复合材料。
与现有技术相比，本发明具有有益效果：
(1)本发明提供的一种基于绝对零刚度结构的隔振鞋中底的3D打印制作方法，具有隔振频带宽的特点，理论上该结构的起始隔振频率为0Hz，从设计原理上保证了其具有全频段的隔振性能，考虑到实际制作过程的误差因素，其起始隔振频率大概在0.5Hz～1Hz之间，但已足够满足鞋中底的隔振需求；
(2)本发明提供的一种基于绝对零刚度结构的隔振鞋中底的3D打印制作方法，是采用3D打印技术进行一体化制造，简化了各柔性铰链连接处的结构，与传统的基于吸振材料(例如泡沫、软胶等)相比，具有可设计性强、轻量化、易于集成等优点；
(3)本发明鞋中底晶格单元为绝对零刚度结构，其相对尺寸可以调整，从而获得具有不同承载级别的结构单元，可满足不同场合、不同人群对鞋中底的要求，实现鞋底的定制化设计；
(4)本发明提供的一种基于绝对零刚度结构的隔振鞋中底的3D打印制作方法，具有材料兼容性强、应用场合多变的特点。零刚度晶格单元只要求不同部件的相对弹性系数满足比例关系，并不限制材料本身，其整体力学特性与所使用的材料本身关系不大，因此可以根据所应用的场景选择合适的材料对其进行制作。
附图说明
图1为本发明鞋中底晶格单元的初始构型及受力压缩时的构型示意图。
图2为本发明通过机器学习算法搜索得到的满足等效刚度为零的三种构型。
图3为本发明将最优绝对零刚度晶格单元阵列后得到的鞋中底结构。
图4为本发明通过增材制造对鞋中底进行一体化成型的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做详细描述。
一种基于绝对零刚度结构的隔振鞋中底的3D打印制作方法，包括以下步骤：
1)根据使用者的体重范围，确定鞋中底的承载级别；为减轻鞋子整体重量，鞋中底采用镂空晶格结构，根据其整体尺寸规划晶格单元的排列方式，保证晶格单元尺寸不超过1cm；
2)给晶格单元设定一个初始构型，如图1所示，晶格单元包括上刚性臂4-1，上刚性臂4-1的两端分别和第一主刚性臂2-1、第二主刚性臂2-2的一端通过第一柔性铰链5-1、第二柔性铰链5-2连接，第一主刚性臂2-1、第二主刚性臂2-2的另一端通过第三柔性铰链5-3、第四柔性铰链5-4连接第三主刚性臂2-3、第四主刚性臂2-4的一端，第三主刚性臂2-3、第四主刚性臂2-4的另一端通过第五柔性铰链5-5、第六柔性铰链5-6连接下刚性臂4-2的两端，使上刚性臂4-1、第一主刚性臂2-1、第三主刚性臂2-3、下刚性臂4-2、第四主刚性臂2-4、第二主刚性臂2-2依次组合成上下对称的六边形结构；
第一主刚性臂2-1上端连接有第一辅刚性臂3-1，第三主刚性臂2-3下端连接有第三辅刚性臂3-3，第四主刚性臂2-4下端连接有第四辅刚性臂3-4，第二主刚性臂2-2上端连接有第二辅刚性臂3-2；第一辅刚性臂3-1和第二辅刚性臂3-2之间连接有第一弹性元件6-1，第三辅刚性臂3-3和第四辅刚性臂3-4之间连接有第二弹性元件6-2，第一主刚性臂2-1和第二主刚性臂2-2之间连接有第三弹性元件6-3，第三主刚性臂2-3和第四主刚性臂2-4之间连接第四弹性元件6-4，上刚性臂4-1和下刚性臂4-2之间连接有第五弹性元件6-5；上刚性臂4-1的上方设有负载1，负载1的重力值为Mg，晶格单元在外力作用下被压缩，压缩程度用第四主刚性臂2-4和水平方向的角度θ表示；
晶格单元采用同一种材料制作，通过调整晶格单元的特征尺寸获得指定的力学特性；
晶格单元的特征尺寸包括主刚性臂、辅刚性臂、上刚性臂、下刚性臂、柔性铰链、弹性元件的几何尺寸，第一主刚性臂2-1的长度a1，第二主刚性臂2-2的长度a2，第一辅刚性臂3-1的长度b1，第二辅刚性臂3-2的长度b2，第三弹性元件6-3、第四弹性元件6-4的弹性系数k1，第一弹性元件6-1、第二弹性元件6-2的弹性系数k2，第五弹性元件6-5的弹性系数k3，第二主刚性臂2-2和第二辅刚性臂3-2之间、第三主刚性臂2-3和第三辅刚性臂3-3之间的角度为θ1，第一主刚性臂2-1和第一辅刚性臂3-1之间、第四主刚性臂2-4和第四辅刚性臂3-4之间的角度为θ2。
3)采用有限元仿真对晶格单元的等效刚度进行评估；采用机器学习算法，以晶格单元的等效刚度绝对等于零作为目标功能，对晶格单元的主刚性臂、辅刚性臂、上刚性臂、下刚性臂、柔性铰链、弹性元件的几何尺寸进行自动搜索，确定满足条件的晶格单元构型为第一晶格单元构型7、第二晶格单元构型8、第三晶格单元构型9三种，三种晶格单元构型在外力压缩下的变形分别为第一变形10、第二变形11和第三变形12，如图2所示；
满足条件的第一晶格单元构型7的尺寸参数应该满足以下关系：
Figure GDA0003790849690000071
满足条件的第二晶格单元构型8的尺寸参数应该满足以下关系：
Figure GDA0003790849690000072
满足条件的第三晶格单元构型9的尺寸参数应该满足以下关系：
Figure GDA0003790849690000073
4)为保证鞋中底结构整体的稳定性，应避免采用压缩弹性元件，或交叉弹性元件，再结合设计的简约性原则，确定第一晶格单元构型7为最优零刚度晶格单元；
5)将最优零刚度晶格单元按照鞋中底的晶格结构进行阵列，得到晶格阵列13组成的鞋中底模型，如图3所示；
6)将步骤5)中所设计鞋中底14的模型文件导入3D打印机15，实现对样件的一体化成形，如图4所示。
3D打印技术对鞋中底进行制作时可选择的材料包括：柔性材料、软胶、连续纤维增强复合材料等等。

Claims (4)

1.一种基于绝对零刚度结构的隔振鞋中底的3D打印制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据使用者的体重范围，确定鞋中底的承载级别；鞋中底采用镂空晶格结构，根据其整体尺寸规划晶格单元的排列方式；
2)给晶格单元设定一个初始构型，晶格单元包括上刚性臂(4-1)，上刚性臂(4-1)的两端分别和第一主刚性臂(2-1)、第二主刚性臂(2-2)的一端通过第一柔性铰链(5-1)、第二柔性铰链(5-2)连接，第一主刚性臂(2-1)、第二主刚性臂(2-2)的另一端通过第三柔性铰链(5-3)、第四柔性铰链(5-4)连接第三主刚性臂(2-3)、第四主刚性臂(2-4)的一端，第三主刚性臂(2-3)、第四主刚性臂(2-4)的另一端通过第五柔性铰链(5-5)、第六柔性铰链(5-6)连接下刚性臂(4-2)的两端，使上刚性臂(4-1)、第一主刚性臂(2-1)、第三主刚性臂(2-3)、下刚性臂(4-2)、第四主刚性臂(2-4)、第二主刚性臂(2-2)依次组合成上下对称的六边形结构；
第一主刚性臂(2-1)上端连接有第一辅刚性臂(3-1)，第三主刚性臂(2-3)下端连接有第三辅刚性臂(3-3)，第四主刚性臂(2-4)下端连接有第四辅刚性臂(3-4)，第二主刚性臂(2-2)上端连接有第二辅刚性臂(3-2)；第一辅刚性臂(3-1)和第二辅刚性臂(3-2)之间连接有第一弹性元件(6-1)，第三辅刚性臂(3-3)和第四辅刚性臂(3-4)之间连接有第二弹性元件(6-2)，第一主刚性臂(2-1)和第二主刚性臂(2-2)之间连接有第三弹性元件(6-3)，第三主刚性臂(2-3)和第四主刚性臂(2-4)之间连接第四弹性元件(6-4)，上刚性臂(4-1)和下刚性臂(4-2)之间连接有第五弹性元件(6-5)；上刚性臂(4-1)的上方设有负载(1)，晶格单元在外力作用下被压缩，压缩程度用第四主刚性臂(2-4)和水平方向的角度θ表示；
晶格单元采用同一种材料制作，通过调整晶格单元的特征尺寸获得指定的力学特性；
3)采用有限元仿真对晶格单元的等效刚度进行评估；采用机器学习算法，以晶格单元的等效刚度绝对等于零作为目标功能，对晶格单元的主刚性臂、辅刚性臂、上刚性臂、下刚性臂、柔性铰链、弹性元件的几何尺寸进行自动搜索，确定满足条件的三种晶格单元构型；
4)为避免鞋中底的使用过程中弹性元件的交叉或压缩，并结合设计简约性原则，确定最优零刚度晶格单元；
5)将最优零刚度晶格单元按照鞋中底的晶格结构进行阵列，得到晶格阵列(13)，并根据鞋中底模型进行排布；
6)将步骤5)中所设计的鞋中底(14)的模型文件导入3D打印机(15)，实现对鞋中底样件的一体化成形；
所述的步骤2)中晶格单元的特征尺寸包括主刚性臂、辅刚性臂、上刚性臂、下刚性臂、柔性铰链、弹性元件的几何尺寸，第一主刚性臂(2-1)的长度a1，第二主刚性臂(2-2)的长度a2，第一辅刚性臂(3-1)的长度b1，第二辅刚性臂(3-2)的长度b2，第三弹性元件(6-3)、第四弹性元件(6-4)的弹性系数k1，第一弹性元件(6-1)、第二弹性元件(6-2)的弹性系数k2，第五弹性元件(6-5)的弹性系数k3，第二主刚性臂(2-2)和第二辅刚性臂(3-2)之间、第三主刚性臂(2-3)和第三辅刚性臂(3-3)之间的角度为θ1，第一主刚性臂(2-1)和第一辅刚性臂(3-1)之间、第四主刚性臂(2-4)和第四辅刚性臂(3-4)之间的角度为θ2；
所述的步骤3)中确定满足条件的三种晶格单元构型为第一晶格单元构型(7)、第二晶格单元构型(8)、第三晶格单元构型(9)；
满足条件的第一晶格单元构型(7)的尺寸参数应该满足以下关系：
Figure FDA0003790849680000021
满足条件的第二晶格单元构型(8)的尺寸参数应该满足以下关系：
Figure FDA0003790849680000031
满足条件的第三晶格单元构型(9)的尺寸参数应该满足以下关系：
Figure FDA0003790849680000032
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤1)中晶格单元尺寸不超过1cm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤4)中确定第一晶格单元构型(7)为最优零刚度晶格单元。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：3D打印技术对鞋中底进行制作时选择的材料包括柔性材料、连续纤维增强复合材料。
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