基于脚型和足底压力分布的鞋垫设计方法研究

第1章绪论 (1)

1.1 引言 (1)

1.2 相关研究现状 (2)

1.2.1 国内外足底压力研究现状及应用 (2)

1.2.2 国内外鞋垫设计方法研究现状 (4)

1.3 研究内容和论文结构 (7)

1.3.1 研究内容 (7)

1.3.2 论文结构 (8)

1.4 论文创新点 (9)

第2章相关理论基础概述 (11)

2.1 引言 (11)

2.2 接触问题基础 (11)

2.2.1 经典Hertz弹性接触理论 (11)

2.2.2 接触问题分类 (12)

2.3 三维接触问题有限元求解 (13)

2.3.1 接触问题的一般求解过程 (13)

2.3.2 接触问题的算法分析 (14)

2.3.3 空间问题的有限元算法 (16)

2.4 本章小结 (19)

第3章脚与鞋垫接触问题有限元数值模拟研究 (21)

3.1 引言 (21)

3.2 有限元法及ANSYS基础 (21)

3.2.1 有限元法 (21)

3.2.2 ANSYS基础 (22)

3.3 脚与鞋垫接触分析 (24)

3.3.1 脚与鞋垫模型建立 (24)

3.3.2 确定单元类型及材料属性 (27)

华侨大学硕士学位论文

3.3.3 接触对的建立 (28)

3.3.4 加载并求解 (31)

3.3.5 结果后处理 (32)

3.4 面-面接触分析中应该注意的问题 (35)

3.5 本章小结 (36)

第4章基于拉普拉斯变形技术的鞋垫优化设计 (37)

4.1 引言 (37)

4.2 拉普拉斯变形技术相关理论 (38)

4.2.1 曲面拉普拉斯算子 (38)

4.2.2 网格拉普拉斯坐标 (38)

4.2.3 拉普拉斯坐标的性质 (41)

4.2.4 拉普拉斯变形框架 (41)

4.3 足底压力数据处理 (44)

4.3.1 算法概述 (44)

4.3.2 足底压力映射 (46)

4.3.3 基于全局拉普拉斯光顺的足底压力数据处理 (50)

4.4 基于足底压力分布的鞋垫表面形状调整 (51)

4.4.1 算法概述 (51)

4.4.2 足底压力分布与鞋垫表面凹凸度的映射关系 (52)

4.4.3 鞋垫形状调整 (52)

4.5 结果分析 (54)

4.6 本章小结 (59)

第5章实验方法与验证 (61)

5.1 实验方案概述 (61)

5.2 鞋垫制造 (62)

5.2.1 注塑成型 (62)

5.2.2 鞋垫制造流程 (62)

5.3 实验设备 (64)

5.4 校正实验仪器 (65)

5.5 实验验证 (67)

5.5.1 提取足底压力数据 (67)

5.5.2 实测足底压力数据处理 (67)

5.6 结论与分析 (69)

5.6.1 实验结果分析 (69)

5.6.2 误差分析 (72)

5.7 本章小结 (73)

第6章总结与展望 (75)

6.1 课题总结 (75)

6.2 未来工作展望 (76)

参考文献 (77)

致谢 (81)

个人简历 (83)

在学期间发表的学术论文与研究成果 (83)

VII

华侨大学硕士学位论文

VIII

第1章绪论

1.1 引言

随着生活水平的提高，人们对鞋垫的舒适性要求越来越高，提出了个性化兼容舒适性的要求；随着医疗技术的发展，鞋垫在治疗和预防足部病变方面发挥着至关重要的作用，例如糖尿病病人的治疗就需要定制化鞋垫来改善足底压力分布[1]。国外很早就将CAD技术应用于鞋类产品的设计中，而国内的发展相对滞后，使之在激烈的市场竞争中处于劣势，甚至只能成为一些国际品牌的代工厂。因此，大力发展鞋类产品设计中CAD技术的研究对国内制鞋业发展具有深远意义，摆脱对国外设计的依赖，自主研发设计个性化的鞋类产品，满足人们的需求，促进国内制鞋业的发展。

鞋垫能有效改善鞋内环境和脚底受力状态，合适的鞋垫能使人们穿起来更舒服。除此之外，科学技术的发展也使得鞋垫在医疗领域发挥着重要的作用。鞋垫的主要功能之一是分散足底压力[2]，足底压力过度集中长时间得不到分散将直接导致足部疼痛甚至引发足部疾病。在中国传统儒、道哲学中的太极拳演练过程中，足底压力分布特征能够强化第1跖骨头和脚趾部位的皮肤触觉，增强下肢肌肉的力量，提高平衡控制能力[3]，基础步法如图1.1所示，由此可见足底压力分布对足部健康的重要性。然而，目前市场上大多数鞋垫的设计制造都未考虑个性化的要求，无法满足不同人群的需要。临床医学上使用的足跟垫、跖骨头垫、足弓垫等，能有效改善患者足底压力分布，但是没有一定的标准和综合性的方法可以根据个人的脚型和足底压力分布进行鞋垫的设计，使得定制化的鞋垫设计制造遇到许多困难。

图1.1 太极拳典型动作步法示意图