CN114732189A - 一种耦合仿生耐磨抗冲击防护鞋底结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耦合仿生耐磨抗冲击防护鞋底结构，包括从上向下顺序设置的上层结构、中层结构、下层结构和底层结构，上层结构和下层结构均为与脚型结构相匹配，中层结构包括沿纵向顺序设置的前掌缓冲区、足弓柔韧区和后掌缓冲区，前掌缓冲区和后掌缓冲区内均填充有多个沿纵向顺序设置的仿生晶腔结构，每个仿生晶腔结构均包括具有腔体的晶腔和设置在腔体内的晶胞，晶胞由三个第一椭圆的全部或部分型面啮合构成，各个第一椭圆的中心轴线平行，且均沿横向方向延伸，三个第一椭圆的圆心连接后形成等腰三角形，足弓柔韧区内设有沿纵向方向呈正弦波纹曲线型结构的晶板。该鞋底结构能够在舰船受到爆炸冲击作用时为站立姿态的舰载人员提供更好的保护。

Description

一种耦合仿生耐磨抗冲击防护鞋底结构

技术领域

本发明涉及人员抗冲击防护技术领域，具体涉及一种耦合仿生耐磨抗冲击防护鞋底结构。

背景技术

遭受水雷或鱼雷等非接触性水下爆炸冲击时，舰艇产生剧烈的冲击加速运动（称为“舰船冲击运动”），对舰船上人员的下肢、脊柱等造成损伤（称为“舰员冲击伤”）。骨骼压缩实验和海战伤研究表明，人体跟骨和脚踝是最容易冲击损伤的部位。

水下爆炸在极短的时间内产生巨大的冲击加速度，引起舰船结构设备破坏和人员损伤。在自上而下的垂向加速度作用下，甲板上的立姿舰员下肢首先承受强大的冲击载荷，人体的跟骨和脚踝是最容易损伤的薄弱部位。研究舰员的抗冲击鞋底结构，通过缓冲脚底部载荷并降低到耐受值以下。

中国专利CN202011446813.5中公开一种基于猫脚垫仿生的抗冲击鞋底结构，通过在常用基底结构中嵌入基于猫脚垫仿生立体结构，来达到缓冲效果。该鞋底结构虽然进行了分区缓冲，但缓冲面积较小，且功能单一。

已有的舰员普遍面临着抗冲击防护能力弱，体型笨重的问题，无法很好的保护舰员的生命安全。且已有提出的抗冲击防护鞋功能较为单一，不具备功能多样性和针对性的优化。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中的问题，提供一种耦合仿生耐磨抗冲击防护鞋底结构，该鞋底结构能够在舰船受到爆炸冲击作用时为站立姿态的舰载人员提供更好的保护。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种耦合仿生耐磨抗冲击防护鞋底结构，包括从上向下顺序设置的上层结构、中层结构、下层结构和底层结构，所述上层结构和所述下层结构均为与脚型结构相匹配的板形结构，所述中层结构包括沿纵向顺序设置的前掌缓冲区、足弓柔韧区和后掌缓冲区，所述前掌缓冲区和所述后掌缓冲区内均填充有多个沿纵向顺序设置的仿生晶腔结构，每个所述仿生晶腔结构均包括具有腔体的晶腔和设置在所述晶腔的腔体内的晶胞，所述晶胞由三个第一椭圆的全部或部分型面啮合构成，各个所述第一椭圆的中心轴线相平行，且均沿横向方向延伸，三个所述第一椭圆的圆心连接后形成等腰三角形，所述足弓柔韧区内设置有沿纵向方向呈正弦波纹曲线型结构的晶板。

优选地，所述等腰三角形的顶角朝向所述上层结构，所述等腰三角形的底边朝向所述下层结构，所述等腰三角形的底角为43°，所述第一椭圆的长轴和短轴之比为3:2。

优选地，所述晶腔的横截面呈正方形结构，相邻的两个所述晶腔共用一个侧壁，所述正方形的边长与所述等腰三角形的高度之比为5：3。

优选地，所述晶板的正弦波纹曲线的函数方程为y=2*sin(2.25*x+0.5)。

优选地，所述底层结构分别设置在所述鞋底结构的前掌区和后掌区，所述底层结构包括多组仿生凹槽组件和多组棱条纹，沿纵向方向，所述仿生凹槽组件和所述棱条纹交错间隔设置。

进一步地，每组所述仿生凹槽组件均包括多个沿横向方向间隔设置的仿生凹槽单元，所述仿生凹槽单元的横截面呈六边形结构，每个所述仿生凹槽单元上均设置有自所述仿生凹槽单元的底面向内凹的凹槽，所述凹槽为设置在所述仿生凹槽单元底面上的第二椭圆绕其长轴旋转对所述仿生凹槽单元进行切除形成，所述第二椭圆的长轴沿横向方向延伸。

更进一步地，所述六边形结构具有沿横向方向延伸的第一对称轴、沿纵向方向延伸的第二对称轴、对称设置在所述第一对称轴的相对两侧的第一边以及对称设置在所述第一对称轴的相对两侧的第二边，所述第二边相对所述第二对称轴对称设置在所述第一边的两侧，两侧的所述第一边均平行于所述第一对称轴设置，所述第一边的长度与两侧的所述第一边之间的距离的比值为2：1，所述第一对称轴两侧的所述第二边之间形成的夹角为60度，所述第二椭圆的长轴和短轴的比为3：2，和/或所述棱条纹的最大宽度和高度的比为1：2。

进一步地，在所述前掌区和所述后掌区，沿纵向方向，每组所述仿生凹槽组件中所述仿生凹槽单元的结构尺寸从中部向两侧逐渐减小，或者，每组所述仿生凹槽组件中所述仿生凹槽单元的数量从中部向两侧逐渐减少，所述棱条纹沿横向方向的长度从中部向两侧逐渐减小，相邻两组所述仿生凹槽组件之间的间隔距离均从中部向两侧逐渐减小，相邻两个所述棱条纹之间的间隔距离均从中部向两侧逐渐减小。

一种具体的实施例，在所述前掌区和所述后掌区，沿纵向方向依次顺序设置有六组所述仿生凹槽组件和五组所述棱条纹，沿纵向方向，相邻两组所述仿生凹槽组件之间的间隔距离比为3:4:5:4:3，每个所述棱条纹均设置在相邻两组所述仿生凹槽组件之间的间隔的中部。

优选地，所述中层结构中的所述晶胞的硬度低于所述晶腔的硬度，所述后掌缓冲区的硬度高于所述前掌缓冲区的硬度。

优选地，所述上层结构由聚氨酯材料制成，所述中层结构由硅胶材料制成，所述下层结构由聚氯乙烯材料制成，所述底层结构由聚酯纤维材料制成，和/或所述鞋底结构还包括包覆在鞋底结构周边位置处由热塑性橡胶材料制成的包覆层。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明的耦合仿生耐磨抗冲击防护鞋底结构可以有效的降低前掌区和后掌区的冲击峰值力，提高前掌的舒适性能，并降低舰上舰员在军舰受到爆炸冲击时跟骨冲击损伤的风险，从而能够在舰船受到爆炸冲击作用时为站立姿态的舰载人员提供更好的保护。同时，在外力撤去后该鞋底结构的中层结构还能够恢复原始状态，具有可重复使用的功能，可提高使用寿命。

附图说明

附图1为本发明的耦合仿生耐磨抗冲击防护鞋底结构去掉包覆层后的立体示意图之一；

附图2为本发明的耦合仿生耐磨抗冲击防护鞋底结构去掉包覆层的立体示意图之二；

附图3为本发明的耦合仿生耐磨抗冲击防护鞋底结构的立体示意图；

附图4为本发明的耦合仿生耐磨抗冲击防护鞋底结构去掉包覆层后的俯视示意图；

附图5为附图4中沿A-A线的剖视示意图；

附图6为附图5中A处局部放大示意图；

附图7为附图5中B处局部放大示意图；

附图8为本发明的耦合仿生耐磨抗冲击防护鞋底结构去掉包覆层后的仰视示意图；

附图9为附图8中A处局部放大示意图。

其中：1、上层结构；2、中层结构；21、前掌缓冲区；22、足弓柔韧区；23、后掌缓冲区；2a、晶腔；2b、晶胞；2c、晶板；3、下层结构；4、底层结构；41、仿生凹槽组件；411、仿生凹槽单元；411a、第一边；411b、第二边；42、棱条纹；5、包覆层。

具体实施方式

下面结合附图来对本发明的技术方案作进一步的阐述。

铁锭甲虫是一种生活在美洲的节肢动物，因为其强大的防御能力而被人们熟知。成年的铁锭甲虫能够抵抗自身大约40000倍的重力，其抵抗强大的冲击能力预期拥有的强壮外骨骼有着密不可分的联系。另外，研究表明，蜣螂和穿山甲体表长期遭受土壤和砂石的磨损，形成了耐磨损的几何结构表面，如蜣螂头部的凹坑形、穿山甲表面的鳞片形、贝壳表面的棱纹形等。将其应用于鞋底的下表面层用于增加鞋底的防滑和耐磨性能。

本发明施法自然，从铁锭甲虫的抗冲击结构特征、蜣螂头部的凹坑形、贝壳表面的棱纹形特征中获得启发，提取其抗冲击和耐磨关键元素，通过工程仿生学原理，对缓冲鞋底进行针对性的仿生设计，采用铁锭甲虫外骨骼的椭圆啮合结构进行抗冲击仿生设计，可大大降低冲击过程中人体下肢的损伤。采用蜣螂头部的凹坑形和贝壳表面的棱纹形结构特征进行耐磨仿生设计，设计出一种耦合仿生耐磨抗冲击仿生防护鞋底结构。

如图1~图9所示，本发明的耦合仿生耐磨抗冲击防护鞋底结构包括从上向下顺序设置的上层结构1、中层结构2、下层结构3和底层结构4。

上层结构1为由柔软的织物结构制成的平板形结构，其外围尺寸符合正常脚型。本实施例中，上层结构1为聚氨酯材料制成。

中层结构2为缓冲吸能结构区域，中层结构2由三部分组成，分别为前掌缓冲区21、足弓柔韧区22和后掌缓冲区23，前掌缓冲区21对应跖骨区，后掌缓冲区23对应跟骨区，前掌缓冲区21、足弓柔韧区22和后掌缓冲区23沿纵向方向顺序设置。

前掌缓冲区21和后掌缓冲区23内均填充有多个沿纵向顺序设置的仿生晶腔结构。每个仿生晶腔结构均包括具有腔体的晶腔2a和设置在腔体内的晶胞2b。

晶胞2b的截面形貌类似铁锭甲虫外骨骼。具体晶胞2b由三个第一椭圆的全部或部分型面啮合构成，各个第一椭圆的中心轴线相平行，且均沿横向方向延伸。三个第一椭圆的圆心连接后形成等腰三角形，等腰三角形的顶角朝向上层结构1，等腰三角形的底边朝向下层结构3。优选等腰三角形的中心轴线与晶腔2a的中心轴线共线。

一种具体的实施例，晶腔2a的横截面呈正方形结构，相邻的两个晶腔2a共用一个侧壁。

优选等腰三角形的底角α为43°，第一椭圆的长轴和短轴之比为3:2，正方形的边长a与等腰三角形的高度h1之比为5：3。

足弓柔韧区内22设置有沿纵向方向呈正弦波纹曲线型结构的晶板2c。具体的，晶板2c的正弦波纹曲线的函数方程为y=2*sin(2.25*x+0.5)，晶板2c的壁厚为0.2mm。

中层结构2由硅胶材料制成，中层结构2中的晶胞2b的硬度低于晶腔2a的硬度，以保证中层结构2压缩变形的能力，同时还具备一定的回弹能力。

后掌缓冲区23的硬度略高于前掌缓冲区21的硬度，可以在保证缓冲性能同时不易发生大变形，造成脚踝扭伤风险。

中层结构2采用分段分区的缓冲结构，可以有效的降低鞋底结构的前掌区和后掌区的冲击峰值力，提高前掌的舒适性并，降低舰上舰员在军舰受到爆炸冲击时跟骨冲击损伤的风险。同时，在外力撤去后仿生晶胞结构能够自动恢复原始状态，具有可重复使用的功能，可提高使用寿命。而且通过优选配置仿生晶胞结构的整体形状、组成材料、各层厚度以及晶腔和晶胞的形状和数量和尺寸等，可以灵活地调节其缓冲性能，使之拓展应用于其他应用领域。

下层结构3为硬质硅胶层制成的平板形结构，下层结构3主要起到承载作用，其外围尺寸符合正常脚型。具体，下层结构3由聚氯乙烯材料制成。

底层结构4分别设置在前掌区和后掌区，底层结构4包括多组仿生凹槽组件41和多组棱条纹42，沿纵向方向，仿生凹槽组件41和棱条纹42交错间隔设置。底层结构4的仿生凹槽组件41和多组棱条纹42可以有效提高鞋底结构在湿润地面上的防滑能力，同时还具备一定的耐磨性能。

每组仿生凹槽组件41均包括多个沿横向方向间隔设置的仿生凹槽单元411，仿生凹槽单元的横截面呈六边形结构，每个仿生凹槽单元411上均设置有椭圆形的凹槽，凹槽自仿生凹槽单元411的底面向内凹。具体凹槽为设置在仿生凹槽单元411底面上的第二椭圆绕其长轴旋转对仿生凹槽单元411进行切除形成，第二椭圆的长轴沿横向方向延伸，优选第二椭圆的长轴和短轴的比为3：2。

具体的，六边形结构具有第一对称轴、第二对称轴、第一边411a和第二边411b。第一对称轴沿横向方向延伸，第二对称轴沿纵向方向延伸，第一边411a和第二边411b均对称设置在第一对称轴的相对两侧，第二边411b还相对第二对称轴对称设置在第一边411a的相对两侧，两侧的第一边411a均平行于第一对称轴设置。

优选第一边411a的长度e与两侧的第一边411a之间的距离f的比值为2：1，第一对称轴两侧的第二边411b之间形成的夹角β为60度。

优选棱条纹42的最大宽度b和高度h2的比为1：2。本实施例中，棱条纹42采用矩形结构的棱条纹。

在鞋底结构的前掌区和后掌区，沿纵向方向，每组仿生凹槽组件41中仿生凹槽单元411的数量相同，但仿生凹槽单元411的结构尺寸从中部向两侧逐渐减小。

或者，每组仿生凹槽组件411中仿生凹槽单元411的结构尺寸相同，但仿生凹槽单元411的数量从中部向两侧逐渐减少。

在鞋底结构的前掌区和后掌区，沿纵向方向，棱条纹42沿横向方向的长度从中部向两侧逐渐减小。

在鞋底结构的前掌区和后掌区，沿纵向方向，相邻两组仿生凹槽组件41之间的间隔距离均从中部向两侧逐渐减小，相邻两个棱条纹42之间的间隔距离均从中部向两侧逐渐减小。

本实施例中，在鞋底结构的前掌区和后掌区，沿纵向方向依次顺序设置有六组仿生凹槽组件41和五组棱条纹42，沿纵向方向，相邻两组仿生凹槽组件41之间的间隔距离比c1:c2:c3:c4:c5为3:4:5:4:3，每个棱条纹42均设置在相邻两组仿生凹槽组件41之间的间隔的中部。

本实施例中，位于前掌区的相邻两组仿生凹槽组件41之间的间隔距离大于对应的位于后掌区的相邻两组仿生凹槽组件41之间的间隔距离。当然，反过来，位于后掌区的相邻两组仿生凹槽组件41之间的间隔距离大于对应的位于前掌区的相邻两组仿生凹槽组件41之间的间隔距离，或者位于前掌区的相邻两组仿生凹槽组件41之间的间隔距离与对应的位于后掌区的相邻两组仿生凹槽组件41之间的间隔距离相同亦可。

鞋底结构还包括包覆在鞋底周边位置处做封边处理的包覆层5，包覆层5由热塑性橡胶材料制成。

上述关于方向的定义中，纵向方向为鞋底结构的长度方向，横行方向为鞋底结构的宽度方向。

综上，本发明所提出的耦合仿生耐磨抗冲击仿生防护鞋底结构具备分区缓冲减震性能和复杂地面耐磨和防滑性能，同时该耦合仿生耐磨抗冲击仿生防护鞋底结构的弹力可控，可拓展应用于其他防护和缓冲领域。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (11)

1.一种耦合仿生耐磨抗冲击防护鞋底结构，其特征在于：包括从上向下顺序设置的上层结构、中层结构、下层结构和底层结构，所述上层结构和所述下层结构均为与脚型结构相匹配的板形结构，所述中层结构包括沿纵向顺序设置的前掌缓冲区、足弓柔韧区和后掌缓冲区，所述前掌缓冲区和所述后掌缓冲区内均填充有多个沿纵向顺序设置的仿生晶腔结构，每个所述仿生晶腔结构均包括具有腔体的晶腔和设置在所述晶腔的腔体内的晶胞，所述晶胞由三个第一椭圆的全部或部分型面啮合构成，各个所述第一椭圆的中心轴线相平行，且均沿横向方向延伸，三个所述第一椭圆的圆心连接后形成等腰三角形，所述足弓柔韧区内设置有沿纵向方向呈正弦波纹曲线型结构的晶板。

2.根据权利要求1所述的耦合仿生耐磨抗冲击防护鞋底结构，其特征在于：所述等腰三角形的顶角朝向所述上层结构，所述等腰三角形的底边朝向所述下层结构，所述等腰三角形的底角为43°，所述第一椭圆的长轴和短轴之比为3:2。

3.根据权利要求1所述的耦合仿生耐磨抗冲击防护鞋底结构，其特征在于：所述晶腔的横截面呈正方形结构，相邻的两个所述晶腔共用一个侧壁，所述正方形的边长与所述等腰三角形的高度之比为5：3。

4.根据权利要求1所述的耦合仿生耐磨抗冲击防护鞋底结构，其特征在于：所述晶板的正弦波纹曲线的函数方程为y=2*sin(2.25*x+0.5)。

5.根据权利要求1所述的耦合仿生耐磨抗冲击防护鞋底结构，其特征在于：所述底层结构分别设置在所述鞋底结构的前掌区和后掌区，所述底层结构包括多组仿生凹槽组件和多组棱条纹，沿纵向方向，所述仿生凹槽组件和所述棱条纹交错间隔设置。

6.根据权利要求5所述的耦合仿生耐磨抗冲击防护鞋底结构，其特征在于：每组所述仿生凹槽组件均包括多个沿横向方向间隔设置的仿生凹槽单元，所述仿生凹槽单元的横截面呈六边形结构，每个所述仿生凹槽单元上均设置有自所述仿生凹槽单元的底面向内凹的凹槽，所述凹槽为设置在所述仿生凹槽单元底面上的第二椭圆绕其长轴旋转对所述仿生凹槽单元进行切除形成，所述第二椭圆的长轴沿横向方向延伸。

7.根据权利要求6所述的耦合仿生耐磨抗冲击防护鞋底结构，其特征在于：所述六边形结构具有沿横向方向延伸的第一对称轴、沿纵向方向延伸的第二对称轴、对称设置在所述第一对称轴的相对两侧的第一边以及对称设置在所述第一对称轴的相对两侧的第二边，所述第二边相对所述第二对称轴对称设置在所述第一边的两侧，两侧的所述第一边均平行于所述第一对称轴设置，所述第一边的长度与两侧的所述第一边之间的距离的比值为2：1，所述第一对称轴两侧的所述第二边之间形成的夹角为60度，所述第二椭圆的长轴和短轴的比为3：2，和/或所述棱条纹的最大宽度和高度的比为1：2。

8.根据权利要求5所述的耦合仿生耐磨抗冲击防护鞋底结构，其特征在于：在所述前掌区和所述后掌区，沿纵向方向，每组所述仿生凹槽组件中所述仿生凹槽单元的结构尺寸从中部向两侧逐渐减小，或者，每组所述仿生凹槽组件中所述仿生凹槽单元的数量从中部向两侧逐渐减少，所述棱条纹沿横向方向的长度从中部向两侧逐渐减小，相邻两组所述仿生凹槽组件之间的间隔距离均从中部向两侧逐渐减小，相邻两个所述棱条纹之间的间隔距离均从中部向两侧逐渐减小。

9.根据权利要求8所述的耦合仿生耐磨抗冲击防护鞋底结构，其特征在于：在所述前掌区和所述后掌区，沿纵向方向依次顺序设置有六组所述仿生凹槽组件和五组所述棱条纹，沿纵向方向，相邻两组所述仿生凹槽组件之间的间隔距离比为3:4:5:4:3，每个所述棱条纹均设置在相邻两组所述仿生凹槽组件之间的间隔的中部。

10.根据权利要求1所述的耦合仿生耐磨抗冲击防护鞋底结构，其特征在于：所述中层结构中的所述晶胞的硬度低于所述晶腔的硬度，所述后掌缓冲区的硬度高于所述前掌缓冲区的硬度。

11.根据权利要求1所述的耦合仿生耐磨抗冲击防护鞋底结构，其特征在于：所述上层结构由聚氨酯材料制成，所述中层结构由硅胶材料制成，所述下层结构由聚氯乙烯材料制成，所述底层结构由聚酯纤维材料制成，和/或所述鞋底结构还包括包覆在鞋底结构周边位置处由热塑性橡胶材料制成的包覆层。

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