Как Программное Обеспечение Для Конечно-Элементного Анализа, Такое Как Ansys, Применяется Для Моделирования Сопротивления Скольжению Подошвы Обуви? Оптимизация Сцепления С Безопасностью

Конечно-элементный анализ (FEA) Ansys моделирует сопротивление скольжению подошвы обуви, создавая виртуальную среду, в которой математически моделируется механическое взаимодействие протектора обуви с поверхностью пола. Применяя специфические граничные условия — такие как давление при ходьбе 70 000 Па и определенные коэффициенты трения — инженеры могут измерить результирующее смещение подошвы. Этот цифровой подход позволяет дизайнерам оптимизировать рисунки протектора для обеспечения безопасности и сцепления без немедленной необходимости в дорогостоящих физических прототипах.

Ключевой вывод: FEA преобразует сложную физическую динамику ходьбы в измеримую цифровую модель, позволяя инженерам прогнозировать сопротивление скольжению обуви, анализируя, как конкретные геометрии протектора реагируют на давление и трение.

Основа виртуальных испытаний: 3D-моделирование

Создание точных геометрических прототипов

Перед началом моделирования в Ansys необходимо создать высокоточную 3D-модель, как правило, с использованием САПР-программ, таких как SolidWorks.

Специалисты моделируют обувь на основе стандартных колодок, таких как Paris Point размера 41, чтобы обеспечить промышленную релевантность масштаба.

Каждая деталь протектора — включая высоту протектора, расстояние между канавками и общую толщину подошвы — точно представлена, чтобы служить геометрической основой для FEA.

Определение свойств материалов

Цифровая модель должна вести себя как реальные материалы, такие как резина или полиуретан.

На этом этапе программе присваиваются физические характеристики, такие как упругость и плотность, которые определяют, как материал будет деформироваться под нагрузкой.

Без точных определений материалов моделирование не может надежно предсказать, как протектор будет "вгрызаться" в поверхность или скользить по ней.

Воссоздание походки человека в цифровой среде

Применение реалистичных граничных условий

Для моделирования человеческого шага Ansys применяет вертикальное давление — часто стандартизированное на уровне 70 000 Па — к модели подошвы обуви.

Моделирование также включает угол приземления, часто устанавливаемый на уровне 17 градусов, чтобы имитировать конкретный момент, когда пятка ударяется о землю во время ходьбы.

Эти параметры гарантируют, что виртуальное испытание отражает фактические силы, которые приводят к инцидентам "скольжения и падения" в реальном мире.

Моделирование фрикционных взаимодействий

Программное обеспечение рассчитывает взаимодействие между подошвой и полом на основе доступного коэффициента трения (ACOF).

Инженеры вводят конкретные переменные для представления различных типов полов или загрязнителей, таких как вода или масло.

Моделируя скорость скольжения примерно 0,5 метра в секунду, программное обеспечение может наблюдать, как блоки протектора изгибаются и движутся под действием кинетической энергии.

Анализ производительности через смещение

Измерение структурной устойчивости

Основным результатом для оценки сопротивления скольжению в FEA является анализ смещения.

Ansys отслеживает, насколько далеко материал подошвы смещается или "ползет", когда прикладывается давление ходьбы против фрикционного сопротивления пола.

Минимальное смещение при высокой нагрузке указывает на стабильную конструкцию с высоким сцеплением, в то время как чрезмерное движение предполагает высокий риск скольжения.

Выявление слабых мест конструкции

Инструменты визуализации в Ansys позволяют инженерам видеть "тепловые карты" напряжений и деформаций по всей подошве.

Эти карты выделяют, какие конкретные блоки протектора не обеспечивают достаточной поддержки или где может скапливаться вода, снижая сцепление.

Эти данные позволяют осуществлять быстрое итеративное тестирование, когда дизайнер может изменить одну канавку протектора и протестировать ее снова за считанные минуты.

Понимание компромиссов

Точность моделирования против реальных переменных

Хотя FEA обладает высокой точностью для оптимизации геометрии, он может испытывать трудности с идеальным воспроизведением сложных загрязнителей окружающей среды.

Переменные, такие как микроскопическая текстура пола или химическая деградация резины со временем, трудно смоделировать со 100% уверенностью.

Кроме того, цифровые модели предполагают "идеальную" походку, в то время как модели ходьбы человека очень изменчивы и непредсказуемы.

Необходимость физической валидации

Цифровое моделирование следует рассматривать как инструмент фильтрации, а не как полную замену физических испытаний.

Даже самые передовые модели Ansys обычно требуют окончательной валидации с использованием портативного маятникового тестера трения, чтобы убедиться, что обувь соответствует порогам безопасности (обычно ACOF выше 0,3).

Опора только на программное обеспечение без физической перекрестной проверки может привести к "сверхоптимизированным" конструкциям, которые терпят неудачу в сложных, не смоделированных реальных условиях.

Применение FEA в вашем рабочем процессе проектирования

Сделайте правильный выбор для вашей цели

Чтобы максимизировать ценность FEA в разработке обуви, согласуйте свою стратегию моделирования с вашей конкретной целью.

Если ваш основной фокус — быстрое прототипирование: Используйте SolidWorks и Ansys для тестирования различных геометрий протектора в виртуальной среде, чтобы на ранних этапах отсеять плохие конструкции.
Если ваш основной фокус — сертификация безопасности: Используйте FEA для выявления точек напряжения, но отдавайте приоритет физическим испытаниям с помощью маятника, чтобы подтвердить, что ACOF соответствует порогу безопасности 0,3.
Если ваш основной фокус — инновации в материалах: Используйте Ansys для экспериментов с различными значениями упругости, чтобы увидеть, как новые резиновые смеси влияют на смещение подошвы.

Интегрируя FEA в процесс проектирования, вы заменяете догадки точностью, основанной на данных, что приводит к созданию обуви, которая является одновременно высокопроизводительной и по своей сути более безопасной.

Сводная таблица:

Этап моделирования	Ключевой параметр / Значение	Назначение в FEA
Геометрическое моделирование	Paris Point размера 41 (CAD)	Обеспечивает точную геометрию протектора для анализа
Приложение нагрузки	70 000 Па (вертикальное давление)	Имитирует вес человека и давление при ходьбе
Угол походки	17 градусов	Воссоздает критический момент удара пяткой
Метрики скольжения	Карты смещения и напряжений	Выявляет слабые места конструкции и стабильность
Цель безопасности	> 0,3 ACOF	Сопоставляет цифровые результаты с стандартами безопасности

Сотрудничайте с 3515 для превосходства в производстве обуви на основе данных

Являясь крупномасштабным производителем, обслуживающим глобальных дистрибьюторов и владельцев брендов, 3515 использует передовые инженерные знания для производства высокопроизводительной обуви. Наша флагманская серия Safety Shoes и обширный портфель, включая рабочую и тактическую обувь, обувь для активного отдыха, тренировочные кроссовки и классические туфли, разработаны для долговечности и точности.

Выбирая 3515, вы получаете преимущества от наших комплексных производственных возможностей и приверженности стандартам безопасности. Независимо от того, нужна ли вам массовая застройка для специализированной рабочей одежды или инновационные дизайны для розничной торговли, мы предоставляем масштаб и опыт, необходимые вашему бренду.

Готовы улучшить свою линейку продуктов, обеспечив превосходное сопротивление скольжению и качество?

Свяжитесь с нами сегодня, чтобы обсудить ваши оптовые потребности

Ссылки

Farihur Raiyan, Md Samsul Arefin. Numerical Simulation of Slip Resistance of Shoe Sole Tread Patterns Using Finite Element Method. DOI: 10.38032/scse.2025.3.127

Эта статья также основана на технической информации из 3515 База знаний .