3D打印鞋底结构在行走状态下的摩擦力学性能分析

杨凯1,2,郭子傲2,陈振湘2,吴凡3,庄晨3,雷怡杰2,高盼盼2,石一伶4（1.北京大学 工程学院；2.湖南云箭集团有限公司；3.北京大学 南昌创新研究院；4.湖南劳动人事职业学院）

摘要：随着3D打印技术的快速发展,鞋底结构的定制化设计成为提升运动性能与舒适度的关键。然而,目前针对3D打印鞋底在不同运动环境下的摩擦力学性能研究仍存在不足,特别是鞋底花纹结构与路面条件的交互作用机制仍需进一步研究。本研究旨在通过有限元分析方法,分析行走状态下3D打印鞋底结构的摩擦力学性能,重点探究路面条件及花纹结构对橡胶摩擦性能的影响机制,并分析不同工况下鞋中底变形模式与大底摩擦性能的演变规律,为3D打印鞋底的个性化设计提供理论依据。研究结果表明:在恒定外荷载及接触面积条件下,随着路面摩擦系数的增加、挤压接触边的增加及侧向接触边的减少,摩擦作用诱发橡胶的接触边逐渐出现扭转弯曲,有效提升摩擦力,但减少摩擦相对接触面积;随着橡胶接触面积的增加,摩擦力显著提高,相对接触面积明显减少;前掌结构主要提供吸能减震,足弓结构主要连接前掌与足跟,足跟结构主要提供支撑强度。研究成果为3D打印鞋底的功能性设计提供了参考,特别是为不同运动场景下的鞋底花纹优化、材料分布和结构刚度匹配提供了理论支撑。

关键词：有限元；摩擦力；多孔结构；鞋类