鞋中底的面内密度梯度分布以实现优化的缓冲性能

中底是鞋类中的重要组成部分，因为它们提供减震和稳定性，从而提高舒适度并有效预防某些足部和踝部损伤。合理定制的中底可以潜在地减轻足底压力，改善性能和舒适度水平。尽管中底设计很重要，但在早期研究中很少探索在中底中使用面内密度梯度的潜力。本工作使用一类新型聚脲泡沫作为候选材料，研究了鞋中底面内密度梯度的有效性。其优异的缓冲性能证明了使用聚脲泡沫的合理性。我们检查并测试了从 95 到 350 kg/m3 的不同聚脲泡沫密度，以构建优化过程所需的密度相关关联数学关系。然后创建一个优化框架，根据受局部压力约束的所需缓冲性能，在特定足底区域分配泡沫密度。使用内点法来解决这个约束优化问题。该优化算法引入了一种新颖的方法，利用最大比能量吸收作为目标函数。优化过程确定了在不同足底区域实现最大生物力学能量耗散而不增加额外重量代价的特定泡沫密度。我们的结果表明，中底设计可以从水平（面内）密度梯度中受益，从而可能减轻重量并改善局部缓冲。通过局部足底峰值压力数据分析，优化结果表明低密度聚脲泡沫（140 kg/m3）适用于中央和外侧趾骨区域，而较硬的泡沫（185-230 kg/m3）被确定为面内密度梯度中底设计中跖骨和足弓区域的合适候选材料。