CN115120003B - 一种立定跳远鞋的碳板及鞋底 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及鞋技术领域，具体涉及一种立定跳远鞋的碳板及鞋底，所述碳板的形状根据足底压力印记设置，包括沿前后方向设置的连为一体的前掌部、足弓部和后跟部；所述碳板的水平面投影中，前掌部前端为圆弧形，曲率圆半径为12.43‑77.65mm；足弓部对应脚内侧一端为圆弧形，曲率圆半径为87.23‑120.41mm，后跟部后端为圆弧形，曲率圆半径为24.83‑83.06mm；所述碳板的竖直面投影中，前掌部呈凹陷弧形，足弓部呈凸起弧形，后跟部呈凹陷弧形形成连续的波浪形。本发明的有益效果在于：在增加鞋大底的摩擦力增加起跳时的抓地力和落地时的防滑力之外，更重要的是减少足踝范式等效应力用应力实现安全保护功能。
Description
技术领域
本发明涉及鞋技术领域，具体涉及一种立定跳远鞋的碳板及鞋底。
背景技术
长期赤足运动，足底会长老茧。硬硬的老茧有时会裂开漏出血丝，让人觉得不安全。但是丹尼尔·利伯曼(Daniel E.Lieberman)的步态测试分析发现：自然的裂开并非不安全，更重要的是老茧在赤足跑时发挥着重要的缓冲功能，尤其在本体感觉方面。循证医学证据表明：运动可以作为精神、神经、代谢、心血管和肌骨等26种疾病的治疗方法。
人体下肢约占体重的40％，下肢的锻炼至关重要。立定跳远是发展下肢力量、身体协调性不可或缺的项目，在《国家学生体质健康标准》中，立定跳远是初中、高中、大学每年体质测试项目。但是，由于习惯性穿鞋者足底厚度比赤足者减少30％，这导致立定跳远时足踝将面临损伤风险。例如，长期用足跟着地的击剑运动员，10名专业运动员足部的结构性损伤(撕脱性骨折、骨裂)发生了89处。且主要集中在跟骨、距骨和胫腓骨。更重要的是，击剑运动的弓刺步地面垂直反作用力峰值大约为2-3倍体重，而训练有素的运动员立定跳远时，垂直反作用力峰值大约为 3-4倍体重。跟骨、距骨和胫腓骨骨折风险成倍增加。
“用进废退”。攀爬活动的减少使大约25％人的掌长肌消失。足的结构也不例外，具体表现在长期穿鞋使足底厚度减少30％，老茧也远离大多数人。这带来的伤害是：当我们进行立定跳远时，退化的足底肉垫难以缓冲地面的冲击力。另外，现有的立定跳远鞋主要在垂直方向上设计缓冲减震结构(材料)，例如，爆米花和气垫。但是，在立定跳远时，足跟与地面的相互作用力是向后上方的。如何设计立定跳远鞋不仅减小地面垂直反作用力峰值，而且还改变足鞋之间的相互作用力方向是亟待解决的关键技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种减少足踝范式等效应力，用应力实现安全保护的立定跳远鞋的碳板及鞋底。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种立定跳远鞋的碳板，所述碳板的形状根据足底压力印记设置，包括沿前后方向设置的连为一体的前掌部、足弓部和后跟部；
所述碳板的水平面投影中，前掌部前端为圆弧形，曲率圆半径为 12.43-77.65mm；足弓部对应脚内侧一端为圆弧形，曲率圆半径为 87.23-120.41mm，后跟部后端为圆弧形，曲率圆半径为24.83-83.06mm；
所述碳板的竖直面投影中，前掌部呈凹陷弧形，足弓部呈凸起弧形，后跟部呈凹陷弧形形成连续的波浪形。
进一步的，上述的立定跳远鞋的碳板中，所述碳板的竖直面投影中，前掌部凹陷弧形，足弓部凸起弧形，后跟部凹陷弧形形成的曲率圆半径分别为 128.93mm，123.49mm和53.07mm。
进一步的，上述的立定跳远鞋的碳板中，所述后跟部在距后端39.31mm处完全截断形成前端、后跟两个部分；所述后跟以外侧断点为基准点，绕垂直轴逆时针旋转30度，两个部分内侧之间使用直径为100mm的曲率圆进行衔接、过渡和填充。
进一步的，上述的立定跳远鞋的碳板中，所述后跟部上表面上，距离后跟部的脚外侧一端25.38mm，并且距离后跟部后端23.26mm处设有应力遮挡片。
进一步的，上述的立定跳远鞋的碳板中，所述应力遮挡片为直径为9mm，高度为3mm的半球体。
本发明的另一技术方案为提供一种立定跳远鞋的鞋底，包括鞋大底和上述述的立定跳远鞋的碳板。
进一步的，上述的立定跳远鞋的鞋底中，所述鞋大底对应脚前掌的底面设有抓地力结构，所述抓地力结构由截面为六边形的镂空柱体拼接而成，所述镂空柱体的边长5mm，高度为1mm，壁厚为1.5mm。
进一步的，上述的立定跳远鞋的鞋底中，所述鞋大底对应脚后跟的底面设有滑动力结构，所述滑动力结构为一长方体，所述长方体上均匀设有长方形的镂空，所述镂空之间的壁厚为1.5mm，所述长方体的高度为2mm，所述镂空长 13.5mm，宽3.5mm。
本发明的有益效果在于：本发明针对足鞋有限元模型的仿真分析结果，以跟骨和距骨范式等效应力、最大主应力和最小主应力的大小和位置，设计立定跳远鞋的碳板及鞋底。在增加鞋大底的摩擦力增加起跳时的抓地力和落地时的防滑力之外，更重要的是减少足踝范式等效应力用应力实现安全保护功能。
附图说明
图1为本发明具体实施方式的实施例2的一维碳板俯视图；
图2为本发明具体实施方式的实施例2的二维碳板侧视图；
图3为本发明具体实施方式的实施例2的三维碳板从后跟部后端方向的侧视图；
图4为本发明具体实施方式的实施例2的二维碳板变换为三维碳板前的俯视图；
图5为本发明具体实施方式的实施例2的四维碳板俯视图；
图6为本发明具体实施方式的抓地力结构示意图；
图7为本发明具体实施方式的滑动力结构示意图；
图8为本发明具体实施方式的实施例2的一维碳板仿真结果图；
图9为本发明具体实施方式的实施例2的二维碳板仿真结果图；
图10为本发明具体实施方式的实施例2的三维碳板仿真结果图；
图11为本发明具体实施方式的实施例2的四维碳板仿真结果图；
标号说明：
1、前掌部；2、足弓部；3、后跟部；4、应力遮挡片；
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
本发明最关键的构思在于：针对现有立定跳远鞋的缺陷与不足，基于运动鞋设计回归力学的理念，结合“力学是描述和预测物体在力作用下静止或运动条件的科学”的定义，首先通过专利“最优立定跳远技术模板的获取方法(授权专利号：ZL201910831970.9)”训练、选择立定跳远承试人(能够正确驾驭立定跳远技术的受试者)，基于足底压力测试系统、运动捕捉系统和逆行动力学软件获得承试人落地时足跟的载荷条件和约束条件，建立足-立定跳远鞋有限元模型，进行有限元分析，由跟骨和距骨范式等效应力、最大主应力和最小主应力的大小和位置设计立定跳远鞋。基于力学的概念，采集正确驾驭立定跳远技术的承试人动作技术作为足-立定跳远鞋有限元模型的边界条件，用足范式等效应力作为屈服准则，根据仿真结果，优化立定跳远鞋设计。
首次提出应用“最优立定跳远技术模板的获取方法(授权专利号：ZL201910831970.9)”专利训练受试者成为能够驾驭最优立定跳远技术的承试人；首次采用承试人的足底压力和运动捕捉数据作为立定跳远鞋有限元分析的边界条件(载荷条件和约束条件)；针对足鞋有限元模型的仿真分析结果，以跟骨和距骨范式等效应力、最大主应力和最小主应力的大小和位置，设计立定跳远鞋。
秉承防未病(运动损伤)的理念，采集运动学、动力学数据形成足、鞋有限元模型的边界条件，通过仿真手段，基于跟骨和距骨范式等效应力、最大主应力和最小主应力的最小和位置最优原则，设计立定跳远鞋。
本发明提供一种立定跳远鞋的碳板，所述碳板的形状根据足底压力印记设置，包括沿前后方向设置的连为一体的前掌部、足弓部和后跟部；
所述碳板的水平面投影中，前掌部前端为圆弧形，曲率圆半径为 12.43-77.65mm；足弓部对应脚内侧一端为圆弧形，曲率圆半径为 87.23-120.41mm，后跟部后端为圆弧形，曲率圆半径为24.83-83.06mm；
所述碳板的竖直面投影中，前掌部呈凹陷弧形，足弓部呈凸起弧形，后跟部呈凹陷弧形形成连续的波浪形。
进一步的，上述的立定跳远鞋的碳板中，所述碳板的竖直面投影中，前掌部凹陷弧形，足弓部凸起弧形，后跟部凹陷弧形形成的曲率圆半径分别为 128.93mm，123.49mm和53.07mm。
由上述描述可知，上述前掌部凹陷，足弓部凸起，后跟部凹陷的曲率圆与足部前后弧度相适配，使其可以更好的实现足部的承重和安全保护功能。
进一步的，上述的立定跳远鞋的碳板中，所述后跟部在距后端39.31mm处完全截断形成前端、后跟两个部分；所述后跟以外侧断点为基准点，绕垂直轴逆时针旋转30度，两个部分内侧之间使用直径为100mm的曲率圆进行衔接、过渡和填充。
由上述描述可知，上述设置使所述后跟部外侧结构与落地缓冲时的足部着地角度相适配。
进一步的，上述的立定跳远鞋的碳板中，所述后跟部上表面上，距离后跟部的脚外侧一端25.38mm，并且距离后跟部后端23.26mm处设有应力遮挡片。
由上述描述可知，上述设置进一步降低鞋大底和碳板的范式等效应力。
进一步的，上述的立定跳远鞋的碳板中，所述应力遮挡片为直径为9mm，高度为3mm的半球体。
本发明还提供一种立定跳远鞋的鞋底，包括鞋大底和上述的立定跳远鞋的碳板。
进一步的，上述的立定跳远鞋的鞋底中，所述鞋大底对应脚前掌的底面设有抓地力结构，所述抓地力结构由截面为六边形的镂空柱体拼接而成，所述镂空柱体的边长5mm，高度为1mm，壁厚为1.5mm。
由上述描述可知，上述设置增加鞋大底的摩擦力增加起跳时的抓地力。
进一步的，上述的立定跳远鞋的鞋底中，所述鞋大底对应脚后跟的底面设有滑动力结构，所述滑动力结构为一长方体，所述长方体上均匀设有长方形的镂空，所述镂空之间的壁厚为1.5mm，所述长方体的高度为2mm，所述镂空长 13.5mm，宽3.5mm。
由上述描述可知，上述设置增加鞋大底的摩擦力增加落地时的防滑力。
综上，本发明的有益效果在于：本发明针对足鞋有限元模型的仿真分析结果，以跟骨和距骨范式等效应力、最大主应力和最小主应力的大小和位置，设计立定跳远鞋的碳板及鞋底。在增加鞋大底的摩擦力增加起跳时的抓地力和落地时的防滑力之外，更重要的是减少足踝范式等效应力用应力实现安全保护功能。
实施例1
一种立定跳远鞋的碳板，所述碳板的形状根据足底压力印记设置，包括沿前后方向设置的连为一体的前掌部、足弓部和后跟部；
所述碳板的水平面投影中，前掌部前端为圆弧形，曲率圆半径为 12.43-77.65mm；足弓部对应脚内侧一端为圆弧形，曲率圆半径为 87.23-120.41mm，后跟部后端为圆弧形，曲率圆半径为24.83-83.06mm；
所述碳板的竖直面投影中，前掌部呈凹陷弧形，足弓部呈凸起弧形，后跟部呈凹陷弧形形成连续的波浪形。
所述碳板的竖直面投影中，前掌部凹陷弧形，足弓部凸起弧形，后跟部凹陷弧形形成的曲率圆半径分别为128.93mm，123.49mm和53.07mm。
所述后跟部在距后端39.31mm处完全截断形成前端、后跟两个部分；所述后跟以外侧断点为基准点，绕垂直轴逆时针旋转30度，两个部分内侧之间使用直径为100mm的曲率圆进行衔接、过渡和填充。所述后跟部外侧结构与落地缓冲时的足部着地角度相适配。
所述后跟部上表面上，距离后跟部的脚外侧一端25.38mm，并且距离后跟部后端23.26mm处设有应力遮挡片。
所述应力遮挡片为直径为9mm，高度为3mm的半球体。
一种立定跳远鞋的鞋底，包括鞋大底和上述的立定跳远鞋的碳板复合而成。
请参阅图6，所述鞋大底对应脚前掌的底面设有抓地力结构，所述抓地力结构由截面为六边形的镂空柱体拼接而成，所述镂空柱体的边长5mm，高度为 1mm，壁厚为1.5mm。
请参阅图7，所述鞋大底对应脚后跟的底面设有滑动力结构，所述滑动力结构为一长方体，所述长方体上均匀设有长方形的镂空，所述镂空之间的壁厚为 1.5mm，所述长方体的高度为2mm，所述镂空长13.5mm，宽3.5mm。
实施例2
本实施例分别设计一维碳板(平面)、二维(一个曲面)、三维(两个曲面) 和四维(两个曲面+应力遮挡片)；
1、请参阅图1，本实施例设计了一维碳板(平面)；其根据足底压力印记绘制一维碳板(平面)，包括沿前后方向设置的连为一体的前掌部1、足弓部2和后跟部3；
所述碳板的水平面投影中，前掌部前端为圆弧形，曲率圆半径为 12.43-77.65mm；足弓部对应脚内侧一端为圆弧形，曲率圆半径为 87.23-120.41mm，后跟部后端为圆弧形，曲率圆半径为24.83-83.06mm；
图1中左侧的曲率圆半径为12.43-77.65mm，中部的曲率圆半径为 87.23-120.41mm，右侧的曲率圆半径为24.83-83.06mm。
2、请参阅图2，本实施例设计了二维碳板(一个曲面)；
其基于一维碳板(平面)，设计二维碳板，两者俯视图的曲率圆一致，图2 侧视图中左侧的曲率圆半径为128.93mm，中部为123.49mm，右侧为53.07mm，三个曲率圆与足部前后弧度相适配。
3、请参阅图3和图4，本实施例设计了三维碳板(两个曲面)；
图3为从三维碳板后跟部后端方向的侧视图；其基于二维碳板，设计三维碳板，两者侧视图的左侧，中部的曲率圆一致；
图4中，三维碳板为在二维碳板后跟部在距后端39.31mm处完全截断形成前端、后跟两个部分；所述后跟以外侧断点为基准点，绕垂直轴逆时针旋转30 度，两个部分内侧之间使用直径为100mm的曲率圆进行衔接、过渡和填充，以此形成三维碳板结构。。所述后跟部外侧结构与落地缓冲时的足部着地角度相适配。
4、请参阅图5，本实施例设计了四维碳板(二个曲面+应力遮挡片)；
基于三维碳板，设计四维碳板。所述碳板的形状根据足底压力印记设置，包括沿前后方向设置的连为一体的前掌部、足弓部和后跟部；
所述碳板的水平面投影中，前掌部前端为圆弧形，曲率圆半径为 12.43-77.65mm；足弓部对应脚内侧一端为圆弧形，曲率圆半径为87.23-120.41mm，后跟部后端为圆弧形，曲率圆半径为24.83-83.06mm；
所述碳板的竖直面投影中，前掌部凹陷弧形，足弓部凸起弧形，后跟部凹陷弧形形成的曲率圆半径分别为128.93mm，123.49mm和53.07mm。
所述后跟部的脚外侧一侧，在距后端39.31mm处截断，逆时针旋转30度，根据曲率填充截面，所述后跟部外侧结构与落地缓冲时的足部着地角度相适配。
图5中，在三维碳板后跟底部，距右端25.38mm(图5中a距离)，距上端 23.26mm(图5中b距离)处设计一处应力遮挡片4(直径为9mm，高度为3mm 的半球体)。所述四维碳板的长度为213.86mm。
仿真分析：受试者应用“最优立定跳远技术模板的获取方法(授权专利号：ZL201910831970.9)”专利训练受试者成为能够驾驭最优立定跳远技术的承试人；承试人在足底压力测试系统和运动捕捉系统中进行测试，记录承试人测试过程结合逆行动力学软件计算结果分别作为碳板仿真分析时边界条件中的载荷条件和约束条件。
图8为上述的一维碳板仿真结果；
图9为上述的二维碳板仿真结果；
图10为上述的三维碳板仿真结果；
图11为上述的四维碳板仿真结果；
范式等效应力是一种屈服准则，屈服准则的值通常叫等效应力，范式等效应力可以清晰描述出一种结果在整个模型中的变化，从而使分析人员可以快速的确定足踝模型中的最危险区域。对立定跳远鞋的设计而言，除了增加鞋大底的摩擦力增加起跳时的抓地力和落地时的防滑力之外，更重要的是减少足踝范式等效应力用应力实现安全保护功能。
另外，比鞋的舒适性、包裹性更重要的是安全性，因为受试者可以自行选择鞋的舒适性、包裹性，但是安全性需要立定跳远鞋的设计者考虑。我们知道，《中华人民共和国刑法》对建筑师设计的建筑物，需要承担故意犯罪、过失犯罪。但是，在运动鞋设计方面却不是这样。例如，Nike公司将全掌shox减震技术应用到卡特的签名鞋上。令人遗憾的是，卡特接二连三地受伤，shox技术备受质疑。终于，nike公司在shoxVC4上做出了妥协：取消全掌shox。而盛于忧患、衰于伤病成为shox减震技术牺牲品的卡特，却无处伸冤。这样的事情还有很多，再例如，詹姆斯自18岁开始一直穿nike的篮球鞋，最终詹姆斯的跖趾关节严重变形。
如何消除运动鞋的安全隐患，基于仿真分析结果，四种碳板等效应力等数值，见表1：
表1足-立定跳远鞋仿真分析结果
在相同载荷条件和约束条件下，表1中四维(两个曲面+应力遮挡片)碳板使足的范式等效应力出现最小值，因此从安全的角度上，四维碳板是最安全。另外，表1中，鞋大底和碳板的范式等效应力远远小于材料的失效应力值。所有，只考虑足的范式等效应力值即可。更重要的是由于造成损伤的力主要是范式等效应力，范式等效应力不仅受到应力数值的影响还有应力值位置的影响。由图6-9可知，只有三维碳板和四维碳板的范式等效应力在跟骨的下方，跟骨下方就是用来承重的，因此从数值和位置上四维碳板是最安全的，三维碳板次之。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (4)
1.一种立定跳远鞋的碳板，其特征在于，所述碳板的形状根据足底压力印记设置，包括沿前后方向设置的连为一体的前掌部、足弓部和后跟部；
所述碳板的水平面投影中，前掌部前端为圆弧形，曲率圆半径为12.43-77.65mm；足弓部对应脚内侧一端为圆弧形，曲率圆半径为87.23-120.41mm，后跟部后端为圆弧形，曲率圆半径为24.83-83.06mm；
所述碳板的竖直面投影中，前掌部呈凹陷弧形，足弓部呈凸起弧形，后跟部呈凹陷弧形形成连续的波浪形；
所述碳板的竖直面投影中，前掌部凹陷弧形，足弓部凸起弧形，后跟部凹陷弧形形成的曲率圆半径分别为128.93mm，123.49mm和53.07mm；
所述后跟部在距后端39.31mm处完全截断形成前端、后跟两个部分；所述后跟以外侧断点为基准点，绕垂直轴逆时针旋转30度，两个部分内侧之间使用直径为100mm的曲率圆进行衔接、过渡和填充；
所述后跟部上表面上，距离后跟部的脚外侧一端25.38mm，并且距离后跟部后端23.26mm处设有应力遮挡片；
所述应力遮挡片为直径为9mm，高度为3mm的半球体。
2.一种立定跳远鞋的鞋底，其特征在于，包括鞋大底和权利要求1所述的立定跳远鞋的碳板。
3.根据权利要求2所述的立定跳远鞋的鞋底，其特征在于，所述鞋大底对应脚前掌的底面设有抓地力结构，所述抓地力结构由截面为六边形的镂空柱体拼接而成，所述镂空柱体的边长5mm，高度为1mm，壁厚为1.5mm。
4.根据权利要求2所述的立定跳远鞋的鞋底，其特征在于，所述鞋大底对应脚后跟的底面设有滑动力结构，所述滑动力结构为一长方体，所述长方体上均匀设有长方形的镂空，所述镂空之间的壁厚为1.5mm，所述长方体的高度为2mm，所述镂空长13.5mm，宽3.5mm。
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