CN115191716A - 一种钉鞋鞋垫碳板及钉鞋鞋垫 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及鞋技术领域，具体涉及一种钉鞋鞋垫碳板及钉鞋鞋垫，所述钉鞋鞋垫碳板包括主碳板，所述主碳板沿前后方向设有连为一体的前掌部、足弓部和后跟部；所述前掌部设有镂空缺口，所述镂空缺口从足弓部的前端延伸到前掌部前端；所述镂空缺口使前掌部上对应第一跖趾关节与其他跖趾关节在碳板的投影分离成两个部分，两个部分分别为：第一跖趾关节压力部和其他跖趾关节压力部。本发明的有益效果在于：本发明的钉鞋鞋垫碳板及钉鞋鞋垫能有效提高承试人运动表现。本发明中，根据第一跖趾关节独立于其他跖趾关节这一足弓结构特征，设计碳板把第一跖趾关节与其他跖趾关节分离，提高第一跖趾关节的绞盘工效。
Description
技术领域
本发明涉及鞋技术领域，具体涉及一种钉鞋鞋垫碳板及钉鞋鞋垫。
背景技术
从长臂猿、长毛红猩猩、大猩猩、黑猩猩演化到始祖地猿，足的第一跖趾关节与其他跖趾关节在结构上始终是独立的，变化主要体现彼此之间的夹角上。440万年前始祖地猿的第一跖趾关节与其他跖趾关节的夹角依然在45度以上，虽然有人认为跖趾关节的合并会在300万年左右，但366万年前足印迹化石以及320万年前的南方古猿的第4跖骨化石表明在短短的几十万年内，跖趾关节就完成了“合并”。这种仅仅发生夹角变化的合并在今天的现代人身上依然可以看到：第一跖趾关节的韧带系统依然是分开的，同时一些职业中极易发生拇外翻(例如，舞蹈者)也表明第一跖趾关节的结构特征。
值得注意的是，跖趾关节之间的夹角变化并非线性。例如，黑猩猩的跖趾关节夹角不仅小于大猩猩，还小于始祖地猿。这说明第一跖趾关节与其他跖趾关节之间的夹角可以反生镶嵌进化。但是什么行为使始祖地猿在几十万内跖趾关节的夹角消失？首先，我们来分析夹角消失的益处。
长臂猿和长毛红猩猩跖趾关节的夹角是最宽的，这样适合树栖四足行走，大猩猩、黑猩猩演化到始祖地猿夹角逐渐减小，这样适合陆地四足行走，而人类的完全合并，以此适应陆地双足行走。从始祖地猿开始，人类的獠牙已经基本消失，那么，在稀树草原上，仅靠行走是显然不行的，为了追求果仁的美味，大约在4000年前一群黑猩猩开始用石头、木棍砸坚果，由此形成操作器械技能，这些技能迄今铭印在乌干达基巴莱国家公园黑猩猩的肌肉记忆中。因此，根据利伯曼的耐力跑假说，跖趾关节合并只有一个目的：耐力跑，因为仅仅是为了“漫步”稀树草原，显然是耐力跑是人类演化史最重要的运动行为。事实上，现存的塔拉乌马人无需受到专业训练就可以在马拉松和超级马拉松比赛中获得佳绩，就是一个很好的例证。
再好的钉鞋也是工业化。而每个人的足型是不一样的，不同跑速下的落地模式也是有差异的，不一样的足型和落地模式差异导致足-鞋之间的压力分布也是不一样的，如何实现足鞋之间的几何和力学耦合充分发挥运动机能提高运动表现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：提供一种实现足、鞋之间的几何和力学耦合充分发挥运动机能，提高运动表现的钉鞋鞋垫碳板及钉鞋鞋垫。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种钉鞋鞋垫碳板，包括主碳板，所述主碳板沿前后方向设有连为一体的前掌部、足弓部和后跟部；所述前掌部设有镂空缺口，所述镂空缺口从足弓部的前端延伸到前掌部前端；所述镂空缺口使前掌部上对应第一跖趾关节与其他跖趾关节在碳板的投影分离成两个部分，两个部分分别为：第一跖趾关节压力部和其他跖趾关节压力部。
进一步的，上述的钉鞋鞋垫碳板中，所述镂空缺口为V形，所述镂空缺口的V形底部设有半球形镂空缺口。
进一步的，上述的钉鞋鞋垫碳板中，所述镂空缺口V型的开口两侧面的夹角为73.93-104.36度，开口宽度为3.92-12.41mm，开口的深度为77.86mm。
进一步的，上述的钉鞋鞋垫碳板中，所述主碳板为厚度0.6-1.8mm的纤维碳板，杨氏模量为5000-8000MPa，泊松比0.27。
进一步的，上述的钉鞋鞋垫碳板中，还包括应力遮挡引导碳板，所述第一跖趾关节压力部和其他跖趾关节压力部下表面设有应力遮挡引导碳板，所述后跟部下表面设有应力遮挡引导碳板。
进一步的，上述的钉鞋鞋垫碳板中，所述应力遮挡引导碳板为厚度0.25-0.75mm的纤维碳板，杨氏模量为500-1000MPa，泊松比0.27。
本发明的另一技术方案为提供一种钉鞋鞋垫，包括上述的钉鞋鞋垫碳板，所述主碳板上表面设有覆盖主碳板的聚氨酯板，所述钉鞋鞋垫厚度为3-8mm，杨氏模量为100-500MPa，泊松比0.47。
本发明的有益效果在于：本发明的钉鞋鞋垫碳板及钉鞋鞋垫能有效提高承试人运动表现。本发明中，根据第一跖趾关节独立于其他跖趾关节这一足弓结构特征，设计碳板把第一跖趾关节与其他跖趾关节分离，提高第一跖趾关节的绞盘工效，在钉鞋鞋垫中把第一跖趾关节与其他跖趾关节在承载结构上分离开来，增大蹬伸时第一跖趾关节的工效。另外，基于提高速度的理论—“绷紧脚踝，增大反作用力”的原则，在钉鞋鞋垫中增加跟骨与鞋垫之间的包裹性和稳定性，增大脚踝绷紧的工效。
附图说明
图1为本发明具体实施方式的钉鞋鞋垫碳板的结构示意图；
图2为本发明具体实施方式的钉鞋鞋垫的结构示意图；
图3为本发明具体实施方式的钉鞋鞋垫仿真计算的边界条件；
图4为本发明具体实施方式的钉鞋鞋垫仿真计算的边界条件；
图5为本发明具体实施方式的钉鞋鞋垫测试结果步态参数图；
图6为本发明具体实施方式的钉鞋鞋垫测试结果COP的蝴蝶图和步态线图；
图7为本发明具体实施方式的钉鞋鞋垫测试结果垂直方向压力与反作用力图；
图8为本发明具体实施方式的钉鞋鞋垫测试结果足跟、中足和前足力的分布图；
图9为本发明具体实施方式的钉鞋鞋垫有限元分析结果图；
标号说明：
1、前掌部；2、足弓部；3、后跟部；4、镂空缺口；41、半球形镂空缺口；5、应力遮挡引导碳板；6、聚氨酯板。
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：首次应用“一种直道途中跑下肢的评价方法及终端”(申请号:202210076433X)、“一种直道途中跑上肢的评价方法及终端”(申请号:2022100703209)、“一种直道途中跑躯干的评价方法及终端”(申请号:2022100703196)三项专利训练受试者成为能够驾驭直道途中外侧弓落地模式的跑步技术的承试人；首次采用承试人的足底压力作为载荷条件和约束条件优化设计钉鞋鞋垫；基于提高速度的理论——“绷紧脚踝，增大反作用力”的原则，在钉鞋鞋垫中增加跟骨与鞋垫之间的包裹性和稳定性，增大脚踝绷紧的工效；另外，在钉鞋鞋垫中把第一跖趾关节与其他跖趾关节在承载结构上分离开来，增大蹬伸时第一跖趾关节的工效。首次用“一种耐力跑跑鞋工效评价方法及终端”(申请号:202110064085X)专利技术对钉鞋鞋垫的工效进行评估。
基于拉格朗日量训练监控受试者成为直道途中外侧弓落地模式的跑步技术的承试人，用承试人载荷条件和约束条件作为鞋垫设计的边界条件，结合承试人落地过程中足跟和足前掌的运动特征。
技术发明需要科学理论支撑。本发明的科学理论是：1)足弓是一个由7块楔骨5块跖骨构成的承载非对称性结构，根据结构与功能统一的对称性原理，正确的落地方式只有一种也即外侧弓(“一种耐力跑跑鞋工效评价方法及终端”中已有证据)由此足弓外侧碳板结构，消除足内侧碳板；2)根据“增大反作用力，提高跑速”原则，借助“一种直道途中跑上肢的评价方法及终端”专利中通过手“杀球”动作，把前臂约3.2％的工效发挥出来，同时，前臂“杀球”产生最大垂直作用力时，增加碳板的厚度，加强稳定性；3)根据第一跖趾关节独立于其他跖趾关节这一足弓结构特征，设计碳板把第一跖趾关节与其他跖趾关节分离，提高第一跖趾关节的绞盘工效。
实施例1
请参照图1以及图2，一种钉鞋鞋垫碳板，包括主碳板，所述主碳板沿前后方向设有连为一体的前掌部1、足弓部2和后跟部3；所述前掌部设有镂空缺口4，所述镂空缺口4从足弓部的前端延伸到前掌部前端；所述镂空缺口4使前掌部上对应第一跖趾关节与其他跖趾关节在碳板的投影分离成两个部分，两个部分分别为：第一跖趾关节压力部和其他跖趾关节压力部。
所述镂空缺口4为V形，所述镂空缺口的V形底部设有半球形镂空缺口41。所述镂空缺口V型的开口两侧面的夹角为73.93-104.36度，开口宽度为3.92-12.41mm，开口的深度为77.86mm。
所述主碳板为厚度0.6mm的纤维碳板，杨氏模量为5000MPa，泊松比0.27。
所述钉鞋鞋垫碳板还包括应力遮挡引导碳板，所述第一跖趾关节压力部和其他跖趾关节压力部下表面设有应力遮挡引导碳板5，所述后跟部下表面设有应力遮挡引导碳板5。所述应力遮挡引导碳板5为厚度0.25mm的纤维碳板，杨氏模量为500MPa，泊松比0.27。
一种钉鞋鞋垫，包括上述的钉鞋鞋垫碳板，所述主碳板上表面设有覆盖主碳板的聚氨酯板6，所述钉鞋鞋垫厚度为3mm，杨氏模量为100MPa，泊松比0.47。
实施例2
请参照图1以及图2，一种钉鞋鞋垫碳板，包括主碳板，所述主碳板沿前后方向设有连为一体的前掌部1、足弓部2和后跟部3；所述前掌部设有镂空缺口4，所述镂空缺口4从足弓部的前端延伸到前掌部前端；所述镂空缺口4使前掌部上对应第一跖趾关节与其他跖趾关节在碳板的投影分离成两个部分，两个部分分别为：第一跖趾关节压力部和其他跖趾关节压力部。
所述镂空缺口为V形，所述镂空缺口的V形底部设有半球形镂空缺口41。所述镂空缺口V型的开口两侧面的夹角为73.93度，开口宽度为3.92-12.41mm，开口的深度为77.86mm。
所述主碳板为厚度1.8mm的纤维碳板，杨氏模量为8000MPa，泊松比0.27。
所述钉鞋鞋垫碳板还包括应力遮挡引导碳板5，所述第一跖趾关节压力部和其他跖趾关节压力部下表面设有应力遮挡引导碳板5，所述后跟部下表面设有应力遮挡引导碳板5。所述应力遮挡引导碳板5为厚度0.75mm的纤维碳板，杨氏模量为1000MPa，泊松比0.27。
一种钉鞋鞋垫，包括上述的钉鞋鞋垫碳板，所述主碳板上表面设有覆盖主碳板的聚氨酯板6，所述钉鞋鞋垫厚度为8mm，杨氏模量为500MPa，泊松比0.47。
实施例3
请参照图1以及图2，一种钉鞋鞋垫碳板，包括主碳板，所述主碳板沿前后方向设有连为一体的前掌部1、足弓部2和后跟部3；所述前掌部设有镂空缺口4，所述镂空缺口4从足弓部的前端延伸到前掌部前端；所述镂空缺口4使前掌部上对应第一跖趾关节与其他跖趾关节在碳板的投影分离成两个部分，两个部分分别为：第一跖趾关节压力部和其他跖趾关节压力部。
所述镂空缺口为V形，所述镂空缺口的V形底部设有半球形镂空缺口41。所述镂空缺口V型的开口两侧面的夹角为104.36度，开口宽度为3.92-12.41mm，开口的深度为77.86mm。
所述主碳板为厚度1.2mm的纤维碳板，杨氏模量为7000MPa，泊松比0.27。
所述钉鞋鞋垫碳板还包括应力遮挡引导碳板5，所述第一跖趾关节压力部和其他跖趾关节压力部下表面设有应力遮挡引导碳板5，所述后跟部下表面设有应力遮挡引导碳板5。所述应力遮挡引导碳板5为厚度0.65mm的纤维碳板，杨氏模量为700MPa，泊松比0.27。
一种钉鞋鞋垫，包括上述的钉鞋鞋垫碳板，所述主碳板上表面设有覆盖主碳板的聚氨酯板6，所述钉鞋鞋垫厚度为5mm，杨氏模量为300MPa，泊松比0.47。
效果验证例
本发明基于拉格朗日量训练监控受试者成为直道途中外侧弓落地模式的跑步技术的承试人，用承试人载荷条件和约束条件作为鞋垫设计的边界条件，结合承试人落地过程中足跟和足前掌的运动特征。
测试实施例3所得钉鞋鞋垫(二跖碳板鞋垫)实际作用效果；
图3和图4为仿真计算的边界条件。图3所有右侧数值的位置设定为鞋-支撑面之间相互作用的约束条件，位置上的数据施加载荷条件。图4根据承试人的足个性化设计的鞋楦，鞋楦与鞋垫形成几何约束。
请参阅图5，跑速为6米/秒，测试约1分钟，为了数据的可靠性，休息20分钟再进行第二次测试。在图5中，在跑速相同的情况下，穿着二跖碳板鞋垫与Nike Air Zoom Maxfly的原鞋垫相比：步幅增大11cm，步频减少4步/分钟。
在图6中，穿着二跖碳板鞋垫与Nike Air Zoom Maxfly的原鞋垫相比：左侧、右侧分别增加24.5mm、24.4mm。
在图7中，穿着二跖碳板鞋垫与Nike Air Zoom Maxfly的原鞋垫相比，最大力值：左侧减小30.8N，右侧增加2.4N，另外，穿着Nike Air Zoom Maxfly的原鞋垫时，双侧的最大力值差异为34.2N，穿着二跖碳板鞋垫时，双侧的最大力值差异为1N。
在图8中，穿着二跖碳板鞋垫与Nike Air Zoom Maxfly的原鞋垫相比，左右侧前掌最大力值分别增大70.5N、122.9N，左右侧后跟最大力值分别增大198.4N、218N。
请参阅图9，其为有限元分析结果。左侧为俯视图，右侧为仰视图。主要术语：
等效应变(等效塑性应变)
等效塑形应变是用来确定材料经强化后屈服面的位置的物理量，其计算公式与计算等效应力的第四强度理论计算公式是一样的，只要把应力改成应变就成。我们在试验中得到的是单向拉伸时材料的弹塑性应力应变曲线，而实际中结构的应力状态往往是空间应力状态，屈服时其也是空间屈服，通过计算等效塑形应变我们可以找到其塑性屈服后应变状态对应的等效应力和此时结构的空间应力状态。
等效应力(范式等效应力)
范式等效应力(Von Mises Stress)是一种屈服准则，屈服准则的值我们通常叫等效应力。Ansys后处理中"Von Mises Stress"我们习惯称为Mises等效应力，它遵循材料力学第四强度理论(形状改变比能理论)。von Mises准则是冯·米塞斯于1913年提出的一个屈服准则。von Mises准则是一个综合的概念，其考虑了第一、第二、第三主应力，可以用来对疲劳，破坏等的评价，是弹塑性力学里的一个力学概念。
总变形
指结构在荷载作用下产生的变形量。
最大主应力
如果在某个斜面上只有正应力，没有剪应力，则这个斜面称为主平面，相应的正应力称为主应力，相应的方向就叫主方向。最大主应力就是某个单元中最大的主应力，即，第一主应力。
最小主应力
最小或次要主应力是作用在剪应力值为零的主平面之一上的主应力的最小值。
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 (7)
1.一种钉鞋鞋垫碳板，其特征在于，包括主碳板，所述主碳板沿前后方向设有连为一体的前掌部、足弓部和后跟部；
所述前掌部设有镂空缺口，所述镂空缺口从足弓部的前端延伸到前掌部前端；所述镂空缺口使前掌部上对应第一跖趾关节与其他跖趾关节在碳板的投影分离成两个部分，两个部分分别为：第一跖趾关节压力部和其他跖趾关节压力部。
2.根据权利要求1所述的钉鞋鞋垫碳板，其特征在于，所述镂空缺口为V形，所述镂空缺口的V形底部设有半球形镂空缺口。
3.根据权利要求2所述的钉鞋鞋垫碳板，其特征在于，所述镂空缺口V型的开口两侧面的夹角为73.93-104.36度，开口宽度为3.92-12.41mm，开口的深度为77.86mm。
4.根据权利要求1所述的钉鞋鞋垫碳板，其特征在于，所述主碳板.6-1.8mm的主碳板，一般为纤维碳板，杨氏模量为5000-8000MPa，泊松比0.27。
5.根据权利要求4所述的钉鞋鞋垫碳板，其特征在于，所述前掌部下表面固定设有前掌部应力遮挡引导碳板，所述后跟部下表面固定设有后跟部应力遮挡引导碳板。
6.根据权利要求5所述的钉鞋鞋垫碳板，其特征在于，所述应力遮挡引导碳板为厚度0.25-0.75mm的纤维碳板，杨氏模量为500-1000MPa，泊松比0.27。
7.一种钉鞋鞋垫，其特征在于，包括权利要求1所述的钉鞋鞋底碳板，所述主碳板上表面设有覆盖主碳板的聚氨酯板，所述钉鞋鞋垫厚度为3-8mm，杨氏模量为100-500MPa，泊松比0.47。
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|---|---|---|---|---|
| JPS6483201A (en) * | 1987-09-26 | 1989-03-29 | Sanji Kumai | Inner bottom of shoes and insole for shoes |
| CN108471833A (zh) * | 2015-10-02 | 2018-08-31 | 耐克创新有限合伙公司 | 用于鞋类的板 |
| CN112998350A (zh) * | 2015-12-07 | 2021-06-22 | 耐克创新有限合伙公司 | 具有带钉的鞋底组件的制品 |
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| CN114668226A (zh) * | 2022-04-29 | 2022-06-28 | 安踏（中国）有限公司 | 一种用于鞋底的碳纤维构件、鞋底和鞋 |
-
2022
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Patent Citations (5)
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