автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.06, диссертация на тему:Исследование условий приформовываемости деталей низа обуви

/

На правах рукописи

ЛУКЬЯНОВА АЛЬБИНА НИКОЛАЕВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ ПРИФОРМОВЫВАЕМОСТИ ДЕТАЛЕЙ НИЗА ОБУВИ

Специальность 05.19 06 - Технология обувных и кожевенно-галантерейных изделий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2004

Работа выполнена в Московском государственном университете сервиса из кафедре проектирования и технологий в сервисе

Научные руководители'

доктор технических наук, профессор Клебанов Яков Матвеевич доктор технических наук, профессор Александров Сергей Пегрович

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Лопандин Игорь Васильевич кандидат технических наук Ьарш Татьяна Ивановна

Ведущая организация Московская обувная фабрика «Парижская коммуна»

Защита состоится « » июня 2004 г в /<¿,00 часов на заседании диссертационного совета Д 212 144 01 при Московском государственном университете дизайна и технолог ии

Адрес 115998, Москва, ул Садовническая. 33. ауд 156

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета дизайна и технологии

Автореферат разослан к ДО » апреля 2004 г

Ученый секреларь диссертационного совета

А И Жихарев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования >словий приформовываемосги деталей низа обуви обуславливается рядом научных и прикладных аспектов

Накопление циклических остаточных деформаций отдельных деталей в начальный период эксплуатации имеет положительное значение - обувь приформовывается к стопе Происходит увеличение поверхности контакта стопы и опоры, уменьшение удельного контактного давления. Это благотворно влияет на эмоциональное состояние человека После некоторого числа начальных циклов процесс приформовываемосги, который происходит как необратимое циклическое накопление односторонних деформаций, должен прекратиться В противном случае произойдёт «растаптывание» изделия

Прекращение повторного пластического деформирования гарантировано, когда выполняются условия упругой приспособляемости изделия к циклическому нагружению Если приспособляемость имеет место, то пластические деформации в конструкции возникают только в течение ряда начальных циклов, а затем деформирование происходит упруго Изложенное даст все основания для использования разработанных в последнее время новых эффективных численных процедур анализа приспособляемости конструкций для развития методов описания механического поведения деталей обуви и создания новых методик их проектирования

Целью исследования является создание подхода к анализу условий приформовываемосги обуви к стопе человека Достижение этой цели связано с решением ряда важных задач.

1) определением характера нагружения системы низа обуви при передвижении человека с выявлением максимально нагруженных зон,

2) разработкой методики и устройства для экспериментального определения упруго-пластических свойств обувных материалов при сжатии,

3) компьютерным моделированием механического поведения низа обуви при эксплуатации и исследованием его напряженно-деформированного состояния в процессе контактов стопой,-

4) созданием алгоритма процедуры анализа приспособляемости деталей в условиях их контактного взаимодействия и разработкой с00тве1ствуюших программных макросов, ориентированных на условия нагружения низа обуви

Объектом исследования является система низа обуви, состоящая из основной стельки и подошвы

Предмет исследования - приформовывасмость системы низа обуви Методологической и теоретической основой исследования выступает теория приспособляемости механики деформируемого твердого тела и, в частности, использование метода упругой компенсации для решения соответствующих задач Степень обоснованности и достоверное! и основных научных положений обеспечивается строгостью математической постановки введенного подхода к определению границы области приформовываемости, количественным сопоставлением полученных численных решений и экспериментальных данных Обоснованность выносимых на защигу нау°ных положений, выводов и рекомендаций, а также достоверность полученных результатов исследований подтверждается:

адекватностью имеющихся модельных представлений физической картины исследуемых процессов,

корректностью использования математического аппарата, законов механики деформируемого твердого тела, обоснованностью вводимых при проведении расчетов и моделировании процессов упрощающих допущений, применением сертифицированных программных продуктов.

Наиболее существенные результаты и научная новизна диссертационной работы заключаются в следующем

• впервые разработан подход к определению условий приформовываемости системы низа обуви к стопе человека, опирающийся на теорию приспособляемости механики деформируемого твердого тела,

• с помощью специально созданного приспособления определены механические свойства ряда обувных материалов при сжатии;

• исследовано напряженно-деформированное состояние основных деталей системы низа обуви при различных сочетаниях обувных материалов;

• разработан подход к определению рациональных размеров консгрук-ций низа обуви по критерию прнформовываемости.

Работа имеет явно выраженную практическую направленность Созданный подход позволяет непосредственно определять конструктивные размеры деталей низа обуви по условию прнформовываемости одному из славных критериев комфортности и качества изделия Основным преимуществом подхода является высокая эффективность, сочетающаяся с подробной детализацией и точностью результатов Это позволяет оперативно получать проектные решения, предназначенные для прямого использования в расчетной практике Разработанный подход к оценке условий приформовыяаемости ориентирован на учет реальных условий эксплуатации обуви и позволяет выполнять расчеты приспособляемости при контактном силовом воздействии

Апробация результатов исследования. Результаты научных исследований опубликованы в 14 печатных работах Основные положения и результаты диссертации доложены, обсуждены и получили положительную оценку на XXV Самарской областной студенческой научной конференции (Самара 1999), Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы создания и использования новых материалов и оценки их качества» (Черкизово, 1999), Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы науки, техники и экономики легкой промышленности» (Москва 2000), Межвузовской научно-технической конференции Рос-ЗИТЛП «Современные проблемы текстильной и легкой промышленности» (Москва, 2002), 3-й Международной конференции молодых учёных и студентов «Актуальные проблемы современной науки» (Самара, 2002). Поволжской региональной научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития сервиса в Поволжском регионе» (Самара 2002, 2003)

Работа выполнялась в рамках плана ПИР Самарского филиала Московского государственного университета сервиса на 2000-2002 г г по теме

í

«Разработка теоретических основ компьютерного моделирования механического поведения изделий одежды и обуви» Полученные речу-льта¡ы использовались также при выполнении проектов №211 03 01 251 и № 206 03 01 086 но программе Минвуза России «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» на 2003-2004 г г Исследовательская работа была поддержана грантом Ученого совета Самарского государственного технического университета в 2003 году Производственная апробация результатов работы на примере изготовления домашней обуви проводится в условиях Московской фабрики ортопедической обуви

На защиту выносятся П подход к получению нижней оценки гранииы области приформовывае-мости деталей низа обуви на основе методов теории приспособляемости,

2) результаты экспериментального исследования упругопласгических свойств ряда обувных материалов при сжатии,

3) результаты анализа влияния конструктивных факторов на характер распределения напряжений и деформаций в системе низа обуви

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложений, изложена на 121 страницах основного текста, включая 82 рисунка, П таблиц, 93 библиографических источников Приложения представлены на 48 страницах

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования Приведены сведения об объектах исследования, дана характеристика научной новизны и практической значимости результатов работы и её апробация

В первой главе представлен литературный обзор исследований в области повышения качества, комфортности и прочности обуви, выполненных у нас в стране и за рубежом Комфортность изделий становится важным фактором, определяющим спрос потребителя. Качество обуви закладывается на

этапе ее проектирования Поэтому процесс проектирования изделия с заранее заданными свойствами является определяющим в производи ве конкурентоспособной продукции

большой вклад в изучение физико-механических свойств материалов и деталей обуви, проектирование рациональной и комфортной обуви внесли Ю П Зыбин, К М Зурабян, В А Фукин, С П. Александров, В Е. Горбачик, В П Лыба, Т С Кочеткова, В М Ключникова. В В К ост ылева, Б Я. Краснов, Т С Жулидова, Т Т Фомина, П Р Каванаг, М Дагати, Д Леммон, 3 Верде-жо, Е Хенниг, Д Сандерсон и другие

Проблемы биомеханики движения и определение характера кон гактно-го взаимодействия стопы с опорой изучались многими исследователями Они показали, что обувь обладает способностью изменять с течением времени параметры взаимодействия между стопой и основанием

Современное развитие методов и систем моделирования позволяет учитывать различные факторы при разработке процедур определения показателей комфортности обуви Для того чтобы адекватно охарактеризовать взаимодеиствие биоло! ической ткани стопы с материалом обуви, необходим полный учет механических свойств обоих компонентов Необходимо 1акже выделить основные участки стопы, взаимодействующие с обувью В публикациях содержится информация о созданных ранее моделях стопы человека и деталей обуви Модели механического поведения стопы рассматривались как в двухмерной, так и в трехмерной постановке Наиболее сложной частью для моделирования оказалась плантарпая мягкая часть стопы, а также некоторые сегменты суставов, пальцы.

С развитием компьютерных технологий, программного обеспечения и современных методов моделирования совершенствовались и модели человеческого тела. Модели стопы, представленные в лшературе, отличаются чис-

г

лом рассматриваемых сегментов и размеров, числом действующих мышц и алгоритмами, использованными для определения напряженно-деформированного состояния Анатомическая информация и свойства мате-

риалов, используемых в различных моделях, неидентичны При этом свойства материалов нередко принимались линейно упр)гими, что не соответствуег реальному поведению илантарной мягкой ткани стопы при сжатии Отмечено, что, учитывая хараюерисшки мягкой ткани стопы, метод конечного элемента может быть использован для анализа плантарного давления и распределения напряжений в объектах контакта, а это в свою очередь позволяет проектировать комфортную обувь с учетом индивидуальных особенностей

В настоящее время основные усилия ученых сосредоточены на развитии численных методов определения напряженно-деформированного состояния деталей обуви. Были рассмотрены вопросы моделирования стопы и ортопедических аппаратов методом конечного элемента с целью определения локализации наибольших напряжений Данный метод широко используегся в исследовании биомеханики стопы, для анализа влияния различных патологий на функции стопы, для повышения комфортных условий в обуви при движении

Анализ литературных источников позволил сделать вывод, что компьютерное моделирование не заменяет полностью натурные экспериментальные исследования Они считаются важным инструментом для проверки достоверности расчетных данных Их результаты используются для корректировки модельных представлений, изучения свойств новых материалов и конструктивных решений Но наиболее эффективным в настоящее время методом исследования механического поведения деталей обуви является всё же численный метод конечного элемента Представленные в литературе конечно-элементные модели, разнообразные по геометрическим размерам и свойствам материалов, позволили рассмотреть вопросы биомеханики стопы, решить некоторые проблемы проектирования комфортной обуви и отдельных её деталей Наряду с этим остались нерешенными вопросы, связанные с нелинейностью и вязкоупоругостью свойств материалов изделий, с изменением контактного взаимодействия стопы и обуви в процессе носки, с циклическим характером действующих нагрузок. Выявилась необходимость разработки

простых численных процедур, которые моиш быть внедрены в практику проектирования обуви с целью обеспечения свойств комфортности, а значит и качества обуви

В литературе достаточно подробно рассмотрены качественные аспекты процесса приформовываемости деталей верха обуви к стопе человека. Разработаны методики практическою определения показателей комфортности Однако характер приформовываемости деталей низа обуви, связанный с накоплением остаточных деформаций сжатия в материале, рассмотрен недостаточно полно Без внимания оставлены такие важные характеристики в^имо-действия сгопы и системы низа обуви, как изменение площади контакта, нелинейность определяющих уравнений материалов обуви и мягкой ткани стопы, отсутствуют численные методы определения условий приформовываемости деталей обуви

Анализ литературных источников показал необходимость продолжения исследований напряженно-деформированного состояния деталей обуви при взаимодействии их со стопой и разработки новых подходов и численных методов для опенки показателей качества обуви

Вторая глава диссертации посвящена ■жепериментальному исследованию механического поведения материалов низа обуви и процесса взаимодействия стопы с опорой

В литературе подробно проанализирован процесс механического растяжения обувных материалов, определены параметры и свойства различных матери&'юв при растяжении. В тоже время следует отметить, чго, несмотря на существенные отличия между характеристиками сжатия и растяжения, вопрос поведения обувных материалов при сжатии изучен явно недос га точно В литературе имеются лишь отдельные сведения о механических характеристиках, определенных при сжимающей нагрузке

В работе была проведена серия испытаний на сжатие подошвенных и стелечных материалов обуви Сконструировано и изготовлено специальное приспособление, позволяющее испытывать образцы материалов, составлен-

ные в многослойные пакеты Испытания проведены для следующих обувных материалов' микропористая резина, непористая резина марки Стиронип, кожа для низа обучи стелечная и картон марки С-1 Получены диаграммы сжатия материалов, определены значения коэффициентов поперечной деформации и модулей упру! ости исследуемых материалов

Диаграммы сжатия показывают, что стелечные материалы с ростом нагрузки сжатия существенно упрочняются В рассмотренном диапазоне напряжений с повышением нагрузки касательный модуль стелечных материалов повышался у кожи от 4,9 до 23,5 МПа, у картона марки С-1 - от 2,7 до 9.2 МПа, а у подошвенных материалов уменьшался микропориаая резина -от 4.9 до 1,2 МПа, Стиронип - от 9,6 до 6,8 МПа

В процессе нагружения подошвенных материалов коэффициент поперечной деформации плавно возрастает с ростом деформаций В среднем он составляет для микропористой резины - 0,11 и для Стиронипа - 0,47 Из диаграмм деформирования следует, что в сравнении со стелсчными материалами подошвенные материалы более подвержены опасности растаптывания

При продольных деформациях микропористой резины до 3,5 %, что соответствует линейному участку диаграммы, поперечные деформации отсутствовали Затем коэффициент поперечной деформации плавно возрастал и составил 0,15 при продольной деформации 30% Отсутствие поперечных деформаций на начальном участке может быть объяснено тем, что до определенного уровня сжимающей нагрузки происходит постепенное уменьшение объема пор При дальнейшем нагружении стенки пор начинают соприкасаться Очевидно, что такое поведение качественно отличается от поведения этого материала при растяжении.

Количественные различия механического поведения натуральной кожи при растяжении и сжатии также связаны с различными процессами, происходящими в материалах на микроуровне Известно, что при растяжении волокна сетчатого слоя кожи ориентируются в направлении приложенной нагрузки С ростом силы растяжения волокна выпрямляются, направления их ук-

ладки сближаются Ясно, что при сжатии может иметь место противоположный процесс, при котором различия в ориентации волокон усиливаются, а это ведет к уменьшению сопротивления пластическим деформациям

Использованный способ испытаний позволяет с достаточной точностью определять механические характеристики обувных материалов при сжатии в диапазоне нагрузок, воздействующих на систему низа обуви при эксплуатации Полученные результаты в дальнейшем использовались для I моделирования материалов в расчетах механического поведения обуви при

эксплуатации

Приформовываемосгь в системе низа обуви сопровождается пластическими деформациями Поведение образцов подошвенной резины при сжатии свидетельствует о том, что в этом материале накапливаются существенные пластические деформации, которые играют значительную роль в процессе приспособляемости Для расчетов процесса деформирования использовалась кусочно-линейная аппроксимация диаграмм подошвенных материалов В расчетах приспособляемости они заменялись диаграммами идеального упру-гопластического поведения

В этой главе также представлено экспериментальное определение параметров контактного взаимодействия стопы с опорой. Исследование характера взаимодействия, изменения штощади опоры стопы и локализации максимальных давлений в отдельных областях следа стопы произведено на серийной тензометрической установке ЕМЕО Объектом исследования являлась женщина в возрасте 25 лет, массой тела 60 кг, ростом 172 см и длиной стопы 240 мм Движение по измерительной платформе осуществлялось в спокойном, равномерном темпе со скоростью 1,4 шага/с.

Тензометрическое исследование позволило получить полную картину контактного взаимодействия стопы и основания Анализ показал, что основными действующими на основание сегментами стопы являются пяточная кость, первый плюснефаланговый сустав и межфаланговый сустав первого пальца, окруженные мягкой плантарной тканью

Анализ результатов длительности контакта и полученные графики изменения во времени силы действия стопы на опору позволил выявить максимально возможные нагрузки' пяточная часть 756 Н, пучковая часть - 762 Н и носочная часть - 283 Н Эти результаты использованы при расчете напряженно-деформированного состояния системы низа обуви.

В третьей главе выполнено исследование процессов кратковременного деформирования и приформовываемости низа обуви.

Расчету приформовываемости низа обуви предшествовал полный анализ напряженно-деформированного состояния исследуемого объекта с целью изучения взаимного влияния различных зон контакта и воздейс!вия контура подошвы на распределение напряжений, анализа полей напряжений и деформаций в стельке и подошве С этой целью рассматривалась нелинейная статическая задача контакта элементов стопы и низа обуви

Конструкции системы низа обуви многообразны по своей геометрии, составу деталей и материалов. С целью расчета приформовываемости рассматриваются основные детали низа обуви- основная стелька и подошва Метод крепления низа обуви и приподнятость пяточной частч не рассматривались

Рассмотрен контакт плантарной части стопы в области пятки, первого плюснефалангового сус1ава пучковой зоны и межфалангово> о сустава первого пальца Для решения задачи о взаимном влиянии отдельных зон контакта и воздействии края обуви на напряженно-деформированное состояние геометрические характеристики суставов и костей перечисленных выше элементов стопы были упрощены и смоделированы в виде трех осесимметричных полусфер

Конечно-элементный анализ осуществлен с использованием программного комплекса А^УЯ. Подошва моделировалась по контуру основной стельки без суммарного припуска к линии стельки, учитываемого при проектировании подошвы. Система низа обуви представляла собой совокупность объемов в форме параллелепипедов, которые затем разбивались на конечные

элементы Верхний слой обьёмов моделировал основную стельку, а нижний слой - подошву Рассмотрены различные размеры конструкции низа обуви Толщина основной степьки варьировалась в пределач от 2 до 3,5 мм Толщина подошвы при этом составляла 5 или 10 мм Клеевой шов и другие способы крепления основной стельки и подошвы не учитыв&чись Размер стельки соответствовал размеру стопы, для которой во второй главе были получены экспериментальные данные.

Для генерирования конечно-элементной сегки мя1кой ткани стопы были использованы элементы трехмерного моделирования г иперупругой структуры модели Блатц-Ко Элементы твердой структуры основной стельки и подошвы считались изотропными Физически нелинейные свойства материала подошвы принимались в соответствии с диаграммами упругопластического деформирования обувных материалов, полученными экспериментально В качестве материала стельки рассматривалась кожа стелечная, а подошва -микропористая и непористая резины

Рассмотрены различные фазы движения, включающие воздействие либо отдельных элементов стопы, либо всех трех вместе Воздействие стопы на низ обуви моделировалось с помощью контактных элементов на плантарной стороне мягкой ткани стопы, в пяточной и носочно-п>чковой частях С1ельки

В процессе эксплуатации обуви возникает контакт между стопой, деталями обуви и опорной поверхностью, сопровождающийся трением При выполнении условия впорности обуви, что является важным и обязательным условием комфортности, трение между стопой и СНО незначительно Поэтому при расчете приформовываемости трение между элементами стопы и основной стелькой не учитывалось

Существенное влияние на картину НДС СНО может оказать трение между подошвой и опорной поверхностью В работе был выполнен анализ влияния этого фактора с помощью конечно-элеменшого моделирования контакта резиновой подошвы и опорных поверхностей с контрастными свойствами как асфальт и лёд Показано, что пик интенсивности напряжений в при-

сутствии сил трения с коэффициентом трения резиновой подошвы менее 0,9 располагается на ходовой поверхност и подошвы и образует форму круга по центру контактной зоны Одновременно возникают достаточно большие контактные касательные напряжения (0,09-0,13 МПа), приводящие к истиранию и разрушению ходовой поверхности подошвы.

С увеличением коэффициента трения выше 0,9 изменилась картина локализации максимума интенсивности напряжений он смещается во внутренние слои подошвы Касательные напряжения на ходовой поверхности в данном случае оказываются существенно ниже Поэтому в данном случае контакта СНО и опорной поверхности более важной с точки зрения долювечно-С1и обуви является опенка возможности ее растаптывания Это характерно для ходьбы по фунту и различным твердым поверхностям Мелкое рифление подошвы не учитывалось, так как в процессе контакта подошвы и опорной поверхности оно может изменить величину трения, но на характер приспособляемости подошвы в целом не повлияет Поэтому перемещения узлов, принадлежащих ходовой поверхности подошвы были ограничены по всем направлениям На гри области, моделирующие элементы стопы, действовали вертикальные силы сжатия

Конечно-элементный расчет позволил определить поля ишеисивноаей напряжений и деформаций в деталях низа обуви (рис 1) Непористый материал подошвы по сравнению с микропорой снижает напряжения в стельке на 17 % при толщине подошвы 5 мм, а при 10 мм - на 28 % При увеличении толщины микропористой подошвы с 5 мм до 10 мм величина максимально! о значения интенсивности напряжений в стелькс увеличивается на 38 % В составе с подошвой из непористой резины этот показатель составляет 22 % Увеличение контура низа обуви на 5 мм незначительно повлияло на напряженно-деформированное состояние стельки.

При толщине подошвы 5 мм поле максимальных напряжений сосредоточено на ходовой поверхности С увеличением толщины подошвы до 10 мм данная зона остается примерно на прежнем расстоянии от стелечной поверх-

носги, но уже располагается внутри детали. По сравнению с микропористой подошвой толщиной 5 мм напряжения в непористой резине той же толщины возросли в 1,5 раза. Однако более высоким напряжениям соответствуют деформации в 2,8 раза меньше, чем в микропористой резине.

.264Е-03 .075927 .151589 .227251 .302914

.038095 .113758 .18942 .265082 .340745

а

.001807 .065107 .128407 .191708 .255008

.033457 .096757 .150059 ,223358 .186659

б

Рис. 1. Картина изолиний интенсивности напряжений, МПа, на ходовой поверхности микропористой подошвы толщиной 5 мм в конструкции со стелькой толщиной 2,5 мм с основным контуром (а) и увеличенным контуром (б). Геленочная и крайняя носочная части не представлены ввиду незначительности уровня напряжений.

В конструкции, контур которой эквидистантно увеличен на 5 мм, распределение напряжений в зонах контакта практически не зависит от размера

наружного контура Влияние краевого эффекта проявляется в увеличении растягивающих напряжений Вместе с тем, величины растягивающих напряжений существенно меньше, чем абсолютные величины сжимающих

Касательные напряжения в подошве незначительны по своей величине и составляют менее 5 % от главных нормальных напряжений, их наибольшие значения располагаются вокруг зоны контакта на стелечной поверхности подошвы

Результаты расчётов показали, что пластические деформации являются деформациями сжатия Пластические деформации растяжения не возникают, растягивающие напряжения находятся в зоне упругости и не превышают предел текучести.

Распределение контактных давлении с точностью 90-95 % соответствует данным зкепериментальных замеров Отдельные зоны контакта незначительно влияют на распределение напряжений в окрестности других зон Максимальные напряжения и деформации возникают в области контакта первого межфалангового сустава стопы Эти выводы позволили в дальнейшем независимо выполнять расчет приформовываемости для зоны большого пальца стопы

В работе для анализа приспособляемости использовалась статическая теорема Мелана Её преимущество состоит в том, что она позволяет получить нижнюю оценку границы допустимых нагрузок, что особенно важно для проектных расчетов В соответствии с этой теоремой приспособляемость в идеальном упругопластическом теле наступит, если можно найти такое независящее от времени поле фиктивных остаточных напряжений С, , что при любых изменениях нагрузки в заданных пределах сумма этого поля с полем напряжений С* в идеальном линейно-упругом теле безопасна, то еегь суммарное напряжённое состояние

ст'Га,

и

1,2,3

(О

и остаточные напряжения нахо;штся внутри поверхности текучести.

1<С| (3)

где сг, - предел текучести материала

Задача деформирования низа обуви является контактной и поэтому геометрически нелинейной Формулировка теоремы Мелана сохраняется, если при определении поля упругих напряжений рассматривать не контактную задачу, а задавать на контактной поверхности те же усилия, что возникают при нагружении упругопластического тела. Таким образом, необходимо последовательно решать две отдельные задачи I) контактную задачу для определения давления стопы, которое в последующем решении является прикладываемой нагрузкой, 2) задачу приспособляемости, в которой ищется поле остаточных напряжений, соответствующее возможно большей нагру5ке, отвечающей условию приспособляемости С этой целью использован модифицированный вариант метода упругой компенсации

Метод упругой компенсации в анализе приспособляемости может использоваться для получения нижней оценки границы области приспособляемости с достаточной высокой точностью Он прост в использовании и может быть полностью автоматизирован, используя пре- и постпроцессорные команды, специальные пользовательские языки макрокоманд программы АЬ.1-5У5 С целью решения задачи приспособляемости низа обуви были введены следующие предпосылки:

• анализ приспособляемости выполнялся только для деталей низа обуви,

• в расчетах приспособляемости использовались диаграммы идеального упругопластического поведения материалов;

• воздействие стопы заменялось контактным давлением, которое определялось из решения упругопластической задачи; его величина и область приложения изменяются по циклическому закону;

• деформации и перемещения в деталях низа обуви при сжатии под действием контактного давления считаются малыми.

Был составлен алгоритм и программный макрос для анализа приспособляемости, ориентированный на особенности контактного нагружения сис-

темы низа обуви Алгоритм вычислительной процедуры включает следующие основные этапы

Этап I Шагами по нагрузке решается упругая контактная задача для фрагментов стопы и системы низа обуви На каждом шаге поля напряжений в СНО и поля контактных усилий записывается в виде массивов

Этап 2- Выполняется пересчет модулей упругости в каждом конечном элементе в соответствии с зависимостью

Е, (4)

иИ II

где к - номер итерации, <Х„ - некоторое номинальное напряжение, (7и максимальное неосредненное узловое эквивалентное напряжение конечно! о элемента, полученное на предыдущей итерации В качестве эквивалентно! о напряжения берется интенсивность напряжений Значение, выбираемое для (7г, обычно составляет половину или две трети от предела текучести материала

Этап 3 Выполняется пошаговое решение линейно-упругой задачи для системы низа обуви с новыми модулями упругости для определенных на отапе 1 контактных усилий На каждом шаге определяются суммарные и остаточные напряжения

Этап 4 Определяется нагрузка Р,к при которой

кп";«-^ (5>

и нагрузка Р2к, при которой

^„\т>аТ (6)

Этап 5: Нагрузкой приспособляемости для ¿-ой итерации является наименьшая из нагрузок Рп и Ря

Р1к=тт(Ри,Ри) (7)

Если заданное число итераций еще не реализовано, возвращаемся на этап 2

Этап 6 После завершения последней из итераций предельная нагрузка приспособляемости определяется как наибольшая из нагрузок Рл

Предложенный подход определения предельной нагрузки приспособляемости был сначала отработан и апробирован на примере решения задачи контактного взаимодействия фрагмента стопы человека и низа обуви в осе-симметричной постановке (рис. 2) Из результатов следует, что предельная нагрузка приспособляемости достигается на 5-й итерации и соответствует 445 Н

Рис 2 Осесимметричная конечно-элементная модель

Созданная процедура стала основой для трехмерного моделирования процесса приспособляемости Конечно-элементная модель первого пальца стопы была максимально приближена к реальной. Средний размер стороны элемента составил 0,7 мм, при этом в зоне контакта сетка элементов сгущена (рис. 3)

Анализ различных конструкций показал, что для микропористой подошвы толщина основной стельки практически не оказывает влияние на приформовываемость. нагрузка приспособляемости составляет не более 434 Н для подошвы толщиной 5 мм и 450 Н при толщине 10 мм (рис 4)

Непористая резина ведет себя в этих условиях несколько иначе При толщине подошвы 10 мм из непористой резины марки Стиронип толщина

основной стельки незначительно влияет на условия приформовываемости Максимальная нагрузка приспособляемости составила 643 Н гтри толщине основной стельки 3,5 мм Для конструкции низа обуви с той же толщиной полошвы и основной стелькой 2 мм нагрузка приспособляемости ниже только на 4 %

плантарная поверхность 1МФС и

Рис 3 Обьемные (а) и конечно-элементные (б) модели большого пальца стопы и системы низа обуви

Приспособляемость непористой подошвы толщиной 5 мм несколько зависит от толщины основной стельки Наивысшая нагрузка приформовываемости в этом случае имеет место в конструкции со стелькой толщиной 2 мм и подошвой - 5 мм Предел приспособляемости в данной конструкции 549 Н С увеличением толщины стельки до 3,5 мм предельная нагрузка снижается на 15 % и приближается к нижней фанице нагрузки приспособляемости микропористой резины.

В нормальных условиях носки обуви, система низа которой рассмотрена выше, нагрузки, действующие со стороны стопы, находятся в пределах области приспособляемости Процесс приформовываемости и выработки оптимального для стопы ложа в системе низа обуви происходит без её растаптывания При этом рассматривались нагрузки соответствующие обычному темпу ходьбы человека массой тела 55-60 кг

- 650

& I £ 600

1 «О*

о

а 500

а. с

2 450

т

а

а.

« _ 400

1 " 2 2,5 3 3,5

Толщина стельки, мм

—■—СтиронипЮмм ♦ Стиронип 5 мм

—микропора 10 мм - •• микропора 5 мм

Рис 4 Изменение нагрузки приспособляемости подошвы в зависимости от толщины стельки.

Максимальное перемещение контактной поверхности при однократном сжатии составило для конструкции, включающей микропористую подошву толщиной 5 мм 0,59 мм и для толщины подошвы 10 мм - 0,92 мм В подошве из непористой резины перемещения в 2 раза меньше, чем в микропоре Для подошвы толщиной 5 мм максимальное перемещение составило 0,23 мм, а для толщины 10 мм - эта величина равняется 0,49 мм.

Данные расчета показывают, что при нормальных условиях эксплуатации обуви имеется запас в нагрузке приспособляемости, который составляет для обуви с подошвой из микропористой резины 1,4 -1,5 и подошвой из непористой резины 1,6- 2,1.

Увеличение силы сжатия за счет веса носчика или динамического воздействия может привести к нарушению условий приспособляемости - постоянному циклическому действию напряжений, превышающих предел текучести, и. следовательно, к растаптыванию обуви Установленная в расчетах величина границы нафузки приформовываемости относится к тому случаю, когда обувь имеет сплошную подошву без приподнятости пяточной части и соотве гственно каблука

Сопоставление результатов расчета нижней оценки границы приформовываемости и максимально возможных нагрузок на низ обуви различных конструкций позволило дать следующие рекомендации

Нагрузка приформовываемости низа обуви, в конструкцию которой входит микропористая подошва, составляет 440 - 450 Н Толщина деталей низа в этом случае незначительно влияет на нагрузку приспособляемости Таким образом, у данной конструкции существуют значительные ограничения в эксплуатации Следует ограничить весовую категорию человека-носчика. которая не должна превышать 70 кг, и рекомендовать использование подошвы из микропористой резины для изготовления легкой, домашней и детской обуви, а также обуви для людей пожилого возраста

Во время медленной ходьбы обувь с микропористой подошвой хорошо приформовывается к стопе человека массой тела до 70 кг При увеличении темпа ходьбы запас по отношению к допускаемой нагрузке приспособляемости уменьшается и достигается граница области приспособляемости Ограничением в пом случае становится величина приподнятости пяточной части: до 20 мм В случае выполнения вышеперечисленных условий носки обуви с подошвой из микропористой резины работа деталей низа находится в границах приформовываемости при практическом отсутствии запаса по отношению к растаптыванию

Более широка область использования непористой резины марки Сти-ронип Наиболее выгодной является конструкция обуви с подошвой толщиной 5 мм и стелькой 2 мм. которой соответствует оценка нагружи приспо-

собляемос 1И в 549 Н Поэтому данная конструкция является оптимальной для модельной и повседневной женской обуви на высоком каблуке при нормальных устовиях носки Увеличение толщины подошвы до 10 мм повышает нагрузку приспособляемости до 643 Н Для данной толщины подошвы не страшны ситуации, коида возникают перегрузки, например при бе1е и прыжках Ограничением здесь может сгать использование данного материала в изготовлении спортивной обуви, коюрая подвергается частым нагрузкам на пальцевую зону, превышающим 600 Н

Таким образом, на примере двух материалов и разных конструкций низа обуви получены рекомендации по их использованию с точки зрения обеспечения комфортности и долговечности обуви при эксплуатации Проведенные расчеты приспособляемости показали, что достаточно точным решением контактной задачи взаимодействия стопы и обуви при решении вопроса приспособляемости является объемное конечно-элементное моделирование этих тел, учитывающее сложное геометрическое строение элементов стопы и уп-рого-пласгические свойства материалов

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Подход к достижению высоких качественных показателей обуви, опирающийся на использование современных средств компьютерного моделирования. развивается в данной работе применительно к задаче обеспечения свойств приформовываемости системы низа обуви В этой связи в диссертации решается ряд теоретических вопросов по описанию процессов деформирования материалов и деталей низа, по изучению особенностей процесса их циклической приспособляемости Выполнен заметный объём экспериментальных исследований и получены опытные данные о свойствах материалов низа обуви и условиях её взаимодействия со стопой Получены также результаты. имеющие непосредственное практическое значение для проектирования обуви

На основании проведённых в диссертационной работе исследований могут бьпь сформулированы следующие основные резулыаты и выводы

1 На этапе проектирования обуви можно оперативно определять размеры и подбирать материалы для системы низа, обеспечивающие требования качества изделия по условию приформовываемости С этой целью впервые введен подход к определению условий приформовываемости, опирающийся на теорию приспособляемости механики деформируемого твердого тела

2 Специально созданное в работе приспособление позволило определить основные механические характеристики обувных материалов при сжатии Проведены испытания следующих обувных материалов микропористая и непористая резина Сгиронип, стелечная кожа для низа обуви и картон марки С-1 Определены их диаграммы деформирования, модули упругости, коэффициенты поперечной деформации и пределы текучести Обосновано использование адекватных определяющих зависимостей, связывающих напряжения и деформации в подошвенных и стелечных материалах' модель гиперупругого материала Благц-Ко для мягкой ткани стопы и модель деформационной пластичности для деталей низа

3 Проведенные тензометрические исследования позволили определить зоны максимального нагружения и силу сжатия низа обуви во время передвижения Плантограммы давления, полученные при помощи установки ЕМЕО, оказались в достаточной степени близкими к изолиниям распределения контактного давления в численном решении задачи взаимодействия стопы и низа обуви

4 Изучены условия, при которых отсутствует взаимное влияние основных зон контакта стопы с точки зрения распределения напряжений в деталях низа обуви Результаты решения покачали, что интенсивность напряжений в подошве из микропористой резины в среднем в 1,5 раза ниже, чем в подошве из Стиронипа, но деформации при этом выше в 2 8 раза Интенсивность деформаций подошвы из микропористой резины в 5 раз, а непористой резины -в 2,5 раза выше, чем в стельке С увеличением толщины подошвы макси-

мальные напряжения носочной части локализованы внутри подошвы, а в пучковой зоне на ходовой поверхности Влияние краевою эффекта проявляется в незначительном увеличении напряжений и смешении их максимума к урезу подошвы. Показано, что максимально нагруженной зоной низа обуви является облаегь контакта с первым пальцем стопы

5. На основе разработанного подхода к получению оценки приформовы-ваемости выполнено исследование разных конструкций низа обуви Полученные зависимости нагрузки приформовываемости от толщин основной стельки и подошвы позволили дать рекомендации по подбору рациональной толщины деталей низа обуви для рассмотренного ассортимента материалов

Созданный подход к оценке нагрузки границы области приформовываемости может быть реализован в условиях автоматизированного проектирования обуви на стадии подготовки проектно-технической документации с целью создания комфортной и дол! овечной обуви Реализация данного подхода позволяет определять рациональную форму деталей обуви с подбором материала по критериям приформовываемости и прочности

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1 Применение метода конечного элемента в моделировании НДС системы низа обуви // Тез док XXV Самарской обл студенч Науч конф (Самара, 13-23 апреля 1999 г.).- Самара- Б.и., 1999 - Ч 1.- С.99 (в соавторстве)

2 Исследование напряженно-деформированного состояния системы низа обуви методом конечного элемента // Проблемы и решения современной технологии Сб науч трудов ПТИС - Тольятти, 1999 Вып 5 Ч 2-С 187-196 (в соавторстве).

3 Реализация метода конечного элемента в моделировании механического поведения системы низа обуви // Философские, технические, методические и социальные аспекты преподавательской, научной и производственной деятельности - 1999,- Самара СФ ГАСБУ - Вып 4 - С 64-66 (в соавторстве)

4 Применение метода конечного элемента в исследовании приформовы-ваемости системы низа обуви к стопе человека // Тез докл Междунар науч -практ Конф «Актуальные проблемы создания и использования новых ма!е-риалов и оценки их качества» (Черкизово, 13-16 окт 1999г.).- М Б и, 1999-С 147-149 (в соавторстве).

5 Исследование свойств материалов изделий из кожи с использованием метода конечного элемента // Тез. докл. Междунар. науч -тех конф «Актуальные проблемы науки, техники и экономики легкой промышленности» (Москва, 19-21 апр 2000 г ).-М.: Б.и , 2000 - С 287-288 (в соавторстве)

6 Исследование механических свойств деталей обуви // Изв вузов Технология легкой промышленности -2000 - № 6 - С 97-99 (в соавторстве)

7 Моделирование взаимодействия стопы человека и обуви // Философские, технические, методические и социальные аспекты преподавательской, научной и производственной деятельности,- 2000 - Самара СФ ГАСБУ,-Вып. 5.-С. 110-112.

8 Применение метода конечных элементов в исследовании НДС каблука женской обуви // Актуальные проблемы современной науки Тр. 3-й Междунар конф молодых ученых и студентов, Самара, 30 сент -2 окт 2002 г.- Самара. СамГТУ, 2002,- Ч 12-16.- С 20-21 (в соавторстве)

9. Прибор для исследования материалов низа обуви на сжатие // Тез докл Межвуз науч -тех конф «Современные проблемы текстильной и легкой промышленности» (Москва, 2002г ) - М. Б и ,2002 -Ч 2 - С 27-28 (в соавторстве)

10 Проблемы проектирования комфортной обуви для индивидуального потребителя // Тез докл Поволжской регион, науч -практич Конф «Состояние и перспективы развитая сервиса в Поволжском регионе», 11-14 сент 2002 г Самара Б и , 2002,-С 5! (в соавторстве).

11. Компьютерные технологии анализа и проектирования обуви // Актуальные проблемы современной науки- Тр 3-й Междунар конф. молодых

учёных и студентов. Самара, 30 сет -2 окг 2002 i - Самара СамГТУ, 200? -Ч 12-16-С 42-43 (в соавторстве)

12 Разраб01ка теоретических основ компьютерного моделирования механического поведения изделий одежды и обуви (Заключит, отчет 1 3 02) / Моек гос ун-т сервиса. Руководитель темы Я.М. Клебанов - № IР 01 200 209302, Инв № 02 20 03 00823 - М., 2002,- 42 с.

13 Экспериментальные исследования некоторых материалов низа обуви на сжатие // Кожев -обув пром-сть -2003 - N° 6 - С 54-55 (в соавторстве)

14 Механические характеристики ма1ерчала низа обуви при компьютерном моделировании процесса ее взаимодействия со стопой человека // Гез док науч -техн конф. молодых ученых вузов Приволжского федерального округа «Легкая промышленность Сервис)- (Самара, 23-25 сент 2003 i ) -Самара СФ МГУС, 2003 - С 53-54

Ротапринт 117 £Г Заказ iî 61 Тира;;: - ?С экз.

РНБ Русский фонд

2006-4 12448

i

ч tí

m

i

Г

Введение.

1. Литературный обзор, постановка цели и задач исследования

1.1. Процесс приформовываемости обуви к стопе человека и её комфортность

1.2. Моделирование взаимодействия стопы с опорой.

1.2.1. Модель стопы.

1.2.2. Модель системы низа обуви.

2. Экспериментальное исследование механического поведения материалов низа обуви и процесса взаимодействия стопы с опорой

2.1. Определение механических характеристик обувных материалов при сжатии.

2.1.1. Экспериментальное устройство для испытаний на сжатие

2.1.2. Механические характеристики стелечных и подошвенных материалов.

2.2. Экспериментальное определение параметров взаимодействия стопы с опорой.

2.2.1 Определение зон максимальйого давления плантарной поверхности стопы на опору.

3. Исследование процессов кратковременного деформирования и приформовываемости низа обуви. ф 3.1. Анализ напряженно-деформированного состояния низа обуви

3.1.1. Моделирование элементов плантарной поверхности стопы и системы низа обуви.

3.1.2. Моделирование условий взаимодействия стопы и системы низа обуви.

3.1.3. Напряженно-деформированное состояние системы низа ф обуви.

3.2. Общие положения анализа приформовываемости низа обуви на основе теории приспособляемости.

3.3. Методика компьютерного моделирования и расчета приспособляемости низа обуви с использованием метода конечного элемента.

3.4. Анализ приформовываемости системы низа обуви в двухмерной постановке.

3.5. Анализ приформовываемости системы низа обуви в трехмерной постановке.

Повышение качества обуви является основной проблемой для производителей во всем мире. Особенно остро эта проблема стоит перед российскими предприятиями, утратившими, во многом, свою конкурентоспособность. Среди критериев качества обуви важное место занимает способность изделия приформовываться к стопе человека.

Качество обуви закладывается на этапе её проектирования. При создании новых конструкций ведущие мировые производители всё более широко используют результаты анализа напряженно-деформированного состояния отдельных деталей. Видную роль в создании теоретических основ проектирования рациональной и комфортной обуви играют работы российских ученых Ю.П. Зыбина, К.М. Зурабяна, В. А. Фукина, В.Е. Горбачика, С.П. Александрова, В.П. Лыбы, Т.С. Кочетковой, В.М. Ключниковой, В.В. Костылевой, Б.Я. Краснова, Т.С. Жулидовой, Т.Т. Фоминой и других.

Главные усилия ученых сосредоточены на изучении критериев комфортности обуви, анализе взаимодействия стопы и обуви в статике и динамике, аналитическом и численном моделировании этих процессов, определении физико-механических свойств материалов и деталей обуви, поиске оптимальных сочетаний материалов и геометрических размеров деталей обуви. Накоплен значительный объём экспериментальных данных о деформационных и прочностных характеристиках обувных материалов и деталей; достаточно подробно исследованы задачи, связанные с формулировкой критериев комфортности обуви.

Однако вопросы моделирования напряженно-деформированного состояния (НДС) деталей обуви с оценкой остаточных деформаций и напряжений, определением характеристик прочности, комфортности, с описанием процесса приформовываемости, исследованы явно недостаточно. Такая ситуация обусловлена сложностью вязкоупругопластических свойств обувных материалов, эффектами геометрической нелинейности процесса деформирования и взаимодействия со стопой, необходимостью учета влияния внешних физических полей: температуры, влажности и других. Тенденции, наметившиеся в преодолении сложившейся ситуации, указывают, что дальнейшее развитие теории и практики проектирования обуви будет связано с разработкой и внедрением методов, в значительной степени опирающихся на использование современных численных процедур. Данная диссертация является определенным шагом в этом направлении.

Таким, образом, актуальность создания подхода к анализу условий приформовываемости деталей низа обуви обуславливается рядом научных и прикладных аспектов вопроса. Процессы механического деформирования обуви при эксплуатации носят циклический характер. Накопление циклических остаточных деформаций отдельных деталей в начальный период эксплуатации имеет положительное значение - обувь приформовывается к стопе. Происходит увеличение поверхности контакта стопы и опоры. Это приводит к уменьшению удельного контактного давления и благотворно влияет на эмоциональное состояние человека.

В процессе эксплуатации обуви после некоторого числа начальных циклов процесс приформовываемости, который происходит как необратимое циклическое накопление односторонних деформаций, должен прекратиться. В противном случае произойдёт «растаптывание» изделия. Прекращение повторного пластического деформирования гарантировано, когда выполняются условия упругой приспособляемости изделия к циклическому нагружению. Если приспособляемость имеет место, то пластические деформации в конструкции возникают только в течение ряда начальных циклов, а затем деформирование происходит упруго. Таким образом, имеются все основания для использования разработанных в последнее время новых эффективных численных процедур анализа приспособляемости конструкций для развития методов описания'механического поведения деталей обуви и создания новых методик их проектирования.

Изложенное выше позволило сформулировать основную цель работы как создание подхода к анализу условий приформовываемости обуви к стопе человека. Достижение этой цели связано с решением ряда важных задач:

1) определение характера нагружения системы низа обуви (СНО) при передвижении человека с выявлением максимально нагруженных зон;

2) разработка методики и устройства для экспериментального определения упруго-пластических свойств обувных материалов при сжатии;

3) компьютерное моделирование механического поведения низа обуви при эксплуатации и исследование его напряженно-деформированного состояния в процессе контакта со стопой;

4) создание алгоритма анализа приспособляемости деталей в условиях их контактного взаимодействия и разработка соответствующих программных макросов, ориентированных на условия нагружения СНО.

Научная новизна работы заключается в следующем: впервые разработан подход к определению приформовываемости СНО к стопе человека, опирающийся на теорию приспособляемости механики деформируемого твердого тела; с помощью специально созданного испытательного устройства определены механические свойства ряда обувных материалов при сжатии; исследовано напряженно-деформированное состояние основных деталей СНО при различных сочетаниях обувных материалов и разработан подход к определению рациональных размеров конструкций СНО.

Работа имеет явно выраженную практическую значимость. Созданный подход позволяет непосредственно определять конструктивные размеры деталей СНО по условию приформовываемости — одному из главных критериев комфортности и качества изделия. Основным преимуществом подхода является высокая эффективность, сочетающаяся с подробной детализацией и точностью результатов. Это позволяет оперативно получать проектные решения, предназначенные для прямого использования в расчётной практике.

Разработанный подход к оценки условий приформовываемости ориентирован на учет реальных условий эксплуатации обуви и позволяет выполнять расчеты приспособляемости при многофакторных силовых воздействиях.

Степень обоснованности и достоверности основных научных положений обеспечивается строгостью математической постановки введенного автором подхода к определению границы области приформовываемости, количественным сопоставлением полученных численных решений и экспериментальных данных. Обоснованность выносимых на защиту научных положений, выводов и рекомендаций, а также достоверность полученных результатов исследований подтверждается: адекватностью имеющихся модельных представлений физической картины исследуемых процессов; корректностью использования математического аппарата, законов механики деформируемого твердого тела, сертифицированных программных средств и вводимых при проведении расчетов и моделировании процессов упрощающих допущений.

На защиту выносятся:

1) результаты экспериментального исследования упругопластических свойств ряда обувных материалов при сжатии;

2) подход к получению нижней оценки границы области приформовываемости деталей низа обуви на основе метода упругой компенсации;

3) результаты анализа влияния конструктивных факторов на характер распределения напряжений и деформаций в СНО.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и приложений, изложена на 117 страницах основного текста, содержит 77 рисунков, 17 таблиц и список литературы из 93 наименований.

Заключение

Подход к достижению высоких качественных показателей обуви, опирающийся на использование современных средств компьютерного моделирования, развивается в данной работе применительно к задаче обеспечения свойств приформовываемости СНО. В этой связи в диссертации решается ряд теоретических вопросов по описанию процессов деформирования материалов и деталей низа, по изучению особенностей процесса циклической приспособляемости в СНО. Выполнен заметный объём экспериментальных исследований и получены опытные данные о свойствах материалов низа обуви и условиях её взаимодействия со стопой. Получены также результаты, имеющие непосредственное практическое значение для проектирования обуви.

На основании проведённых в диссертационной работе исследований могут быть сформулированы следующие основные результаты и выводы:

1. На этапе проектирования обуви можно оперативно определять размеры и подбирать материалы для системы низа, обеспечивающие требования качества изделия по условию приформовываемости. С этой целью впервые введен подход к определению условий приформовываемости, опирающийся на теорию приспособляемости механики деформируемого твердого тела.

2. Специально созданное устройство позволяет определять основные механические характеристики обувных материалов при сжатии. Проведены испытания следующих обувных материалов: микропористая и непористая резина Стиронип, стелечная кожа для низа обуви и картон марки С-1. Определены их диаграммы деформирования, модули упругости, коэффициенты поперечной деформации и пределы текучести. Обосновано использование адекватных определяющих зависимостей, связывающих напряжения и деформации в подошвенных и стелечных материалах при внешней нагрузке, соответствующей усилиям со стороны стопы: модель гиперупругого материала Блатц-Ко и модель деформационной пластичности.

3. Проведенные тензометрические исследования позволили определить зоны максимального нагружения и силу сжатия СНО во время передвижения. Плантограммы давления, полученные при помощи установки EMED, совпали с изолиниями распределения контактного давления в численном решении задачи взаимодействия стопы и низа обуви.

4. Изучены условия, при которых отсутствует взаимное влияние основных зон контакта стопы с точки зрения распределения напряжений в СНО. Результаты решения показали, что интенсивность напряжений в подошве из микропористой резины в среднем в 1,5 раза ниже, чем в подошве из Стиронипа, но деформации при этом выше в 2,8 раза. Интенсивность деформаций подошвы из микропористой резины в 5 раз, а непористой резины -в 2,5 раза выше, чем в стельке. С увеличением толщины подошвы максимальные напряжения носочной части локализованы внутри подошвы, а в пучковой зоне - на ходовой поверхности. При увеличенном контуре СНО изменение толщины подошвы привело к увеличению максимальных величин интенсивностей напряжений в 2 раза. Влияние краевого эффекта проявляется в увеличении напряжений и смещении его максимума к урезу подошвы. Получено, что максимально нагруженной зоной СНО является область контакта с большим пальцем стопы.

5. На основе разработанного подхода оценки приформовываемости выполнено исследование разных конструкций СНО. Построенные зависимости нагрузки приформовываемости от толщины основной стельки и подошвы, позволили дать рекомендации по подбору рациональной толщины деталей СНО для рассмотренного ассортимента материалов.

Созданный подход для оценки нижней границы нагрузки области приформовываемости может быть применён в условиях автоматизированного проектирования обуви на стадии подготовки проектно-технической документации с целью создания комфортной и качественной обуви. Реализация данного подхода позволяет определять рациональную форму деталей обуви с подбором материала по критерию приформовываемости и прочности.

1. Александров С.П. Исследование напряжений в клеевом слое системы низа обуви при изгибе // Изв. вузов. Технология легкой промышленности.-1991.- № 2, 3.- С. 51-56, 66-70.

2. Александров С.П., Клебанов Я.М., Бурмистров А.Г., Лукьянова А.Н. Экспериментальные исследования некоторых материалов низа обуви на сжатие // Кожев.-обув. пром-сть.-2003.- № 6,- С.54-55.

3. Александров С.П., Куприянов А.П. Аспекты эргономичной обуви // Кожев.-обув. пром-сть.-1999.- № 2.- С.40-41.

4. Александров С.П., Куприянов А.П. Расчет нагрузок в стяжке продольного свода стопы // Кожев.-обув. пром-сть.-2002.- № 4.- С.39-40.

5. Александров С.П., Паршина О.В. Методы выявления закономерности распределения давлений по опорной поверхности стопы // Изв. вузов. Технология легкой промышленности.-1989.- № 2.- С. 87-92.

6. Александров С.П., Паршина О.В. Проетирование низа обуви, обеспечивающего оптимальные условия функционирования внутреннего свода стопы // Кожев.-обув. пром-сть.-1995.- № 5, 6.- С. 40-41.

7. Александров С.П., Паршина О.В. Разработка оптимального следа обуви для выравнивания напряжения подошвенных мышц // Кожев.-обув. пром-сть.-1989.- № 8.- С.59-64.

8. Алексанров С.П., Паршина О.В. Конценпция проектирования низа обуви, обеспечивающего опорную комфортность стопы // Кожев.-обув. пром-сть.-1995.- № 1-2.- С.44-48.

9. Андреанова Н.А., Фомина Т.Т. Оценка качества спортивной обуви на основе биомеханических исследований // Изв. вузов. Технологияр легкой промышленности.-1989.- № 5.- С. 90-93.

10. Андреанова Н.А., Фомина Т.Т., Васильев С.Г., Фармаковский В.М. Оценка качества спортивной обуви на основе биомеханических исследований // Изв. вузов. Технология легкой промышленности.-1989.-№5.- С. 90-93.

11. Антропологические и биомеханические основы конструированиящ изделий из кожи: Учеб. для вузов / Кочеткова Т.С., Ключникова В.М. —

12. М.: Легпромбытиздат, 1991.- 192 с.

13. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы: Пер. с англ.- М.: Мир, 1984.-428 с.

14. Горбачик В.Е., Линник А.И., Фукин В.А. Методика расчета распорной жесткости обуви // Кожев.-обув. пром-сть.-2002.- № 2.- С.32-33.

15. ГОСТ 265-77 Резина. Методы испытаний на кратковременное статическое сжатие.- Переизд. 1988 с изм. № 2.- Введ. 01.01.79.- М.: Изд-во стандартов, 1978.- 6с.

16. ГОСТ 7926-75 Резина для низа обуви. Правила приемки. Методы испытаний.- Переизд. Июль 1986 с изм. № 2.- Введ. 01.07.76.- М.: Изд-во стандартов, 1975.-13 с.

17. Гохфельд Д.А., Чернявский О.Ф. Несущая способность конструкций при повторных нагружениях. — М.: Машиностроение, 1979. — 263 с.

18. Жулидова Т.С., Фомина Т.Т. Построение математической модели комфортности обуви // Изв. вузов. Технология легкой промышленности.-1990.- № 2.- С. 53-57.

19. Жулидова Т.С., Фомина Т.Т. Прогнозирование комфортности обуви на стадии её проектирования // Изв. вузов. Технология легкой промышленности.-1989.- № 6.- С. 59-62.

20. Замарашкин Н.В., Замарашкин К.Н. Определение параметров силового взаимодействия стопы и обуви.- Москва, 1995.- 10с.- Деп. в ВИНИТИ РАН № 946-В95.

21. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике: Пер. с англ.- М.: Мир, 1975.- 536 с.

22. Клебанов Я.М., Лукьянова А.Н. Исследование напряженно-деформированного состояния системы низа обуви методом конечногоэлемента // Проблемы и решения современной технологии: Сб. науч. трудов ПТИС.- Тольятти, 1999. Вып. 5. Ч. 2.- С. 187-196.

23. Клебанов Я.М., Александров С.П., Давыдов А.Н., Лукьянова А.Н. Исследование механических свойств деталей обуви // Изв. вузов. Технология легкой промышленности.-2000.- № 6.- С. 97-99.

24. Конструирование изделий из кожи: Учеб. для вузов / Зыбин Ю.П., Ключникова В.М., Кочеткова Т.С., Фукин В.А.-М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982.- 264с.

25. Куприянов А.П. Исследование и разработка метода расчета стелечного узла для профилактики продольного плоскостопия: Дис. . канд. техн. наук.- М., 1999.

26. Куприянов М.П. Деформационные свойства кожи для верха обуви.-М.: Легкая индустрия, 1969.- 284 с.

27. Лукьянова А.Н. Моделирование взаимодействия стопы человека и обуви // Философские, технические, методические и социальные аспекты преподавательской, научной и производственной деятельности.- 2000.- Самара: СФ ГАСБУ.- Вып. 5.- С. 110-112.

28. Лукьянова А.Н., Клебанов Я.М. Применение метода конечного элемента в моделировании НДС системы низа обуви // Тез. док. XXV Самарской обл. студенч. Науч. конф. (Самара, 13-23 апреля 1999 г.).-Самара: Б.и., 1999.- Ч. 1.- С.99.

29. Лыба В.П. Расчет параметров рациональной внутренней формы обуви на основе силового взаимодействия стопы с обувью: Автореф. дис. . канд. техн. наук / Всесоюз. заоч. ин-т текстил. и лег. пром-ти — М., — 1983.- 23 с.

30. Манченко С.А. Плужников Л.Н., Мурзин Е.Ю. Создание непрерывных описаний поверхностей с помощью МКЭ // Изв. вузов. Технология легкой промышленности.-1991.- № 6.- С. 82-86.

31. Матвеев В.Л., Раяцкас В.Л. Деформационные свойства обувных материалов при полуцикловом сжатии // Кожев.-обув. пром-сть.-1984.-№ 10.- С. 38-39.

32. Матвеев B.JI., Раяцкас B.JL, Баркаускас Р.В. Релаксация напряжений и ползучесть стелечных материалов при сжатии // Изв. вузов. Технология легкой промышленности.-1986.- № 5.- С. 16-23.

33. Материаловедение изделий из кожи и меха: Учеб. Для вузов / Зурабян К.М., Краснов Б.Я., Бернштейн М.М.- М.: Легпромбытиздат, 1988.-416с.

34. Разработка теоретических основ компьютерного моделирования механического поведения изделий одежды и обуви: (Заключит, отчет 1.3.02) / Моск. гос. ун-т сервиса; Руководитель темы Я.М. Клебанов.-№ ГР 01.200.209302; Инв. № 02.20.03 00823.- М., 2002.- 42 с.

35. Расчеты машиностроительных конструкций методом конечных элементов: Справочник / Мяченков В.И., Мальцев В.П., Майборода В.П. и др.; Под общ. Ред. В.И. Мяченкова — М.: Машиностроение, 1989.- 520 с.

36. РД 17-06152-89 (взамен ГОСТ 4.12-81) Обувь. Номенклатуры показателей качества. Введен 01.01.92. М: ЦНТИИТЭИлегпром, 1991г. -9с.

37. Родионова Ю., Смирнова Л., Смирнова Т., Тулупов О. Полнота обуви и опорная комфортность // STEP-1999.- № 6.- С. 50-51.

38. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. — М.: Мир, 1979.- 392 с.

39. Справочник обувщика (Проектирование обуви, материалы) / Морозова Л.П., Полуэктова В.Д., Михеева Е.Я. и др. -М.: Легпромбытиздат, 1988.-432 с.

40. Ст. СЭВ 2678-80. Обувь. Базисная номенклатура показателей качества. Введен 01.07.1982. Издательство стандартов. 1980. — 12 с.

41. Тиранов В.Г., Орлов А.В., Петрова JI.H., Цобкалло Е.С., Картавенко

42. B.Е. Деформационно-прочностные свойства подошвенных материалов // Перспективные материалы и изделия лег. пром-ти. СПГУТД.- 1994.1. C. 80-81.

43. Тонких Г.П., Кочеткова Т.С., Фукин В.А. Анатомическое обоснование геометрических параметров модели системы стопа-обувь // Кожев.-обув. пром-сть.-1989.- № 6.- С. 53-57.

44. Тулупов O.K., Замарашкин Н.В. Анализ силового взаимодействия стопы с обувью при беге на лыжах // Изв. вузов. Технология легкой промышленности.-1991.- № 4.- С. 51-56.

45. Фияло B.C., Фукин В.А., Жихарев А.П., Лыба В.П. Выбор материалов верха по показателям взаимодействия стопы и обуви // Кожев.-обув. пром-сть.-1993.- № 7.- С. 28-30.

46. Фукин В.А., Сакулина Д.О., Костылева В.В. О комплексе свойств, определяющих комфортность обуви // Кожев.-обув. пром-сть.-1994.-№ 1-2.- С. 37-38.

47. Ченцова К.И. Стопа и рациональная обувь.- М: Легкая индустрия, 1974.-216с.

48. ANSYS User's Manual for revision 7.0. Vol. I VI.

49. Betlytschko T. Plane stress shakedown analysis by finite elements // International Journal of Mechanical Science. Vol. 14.- 1972.- P. 619-625.

50. Cavanagh P.R., Shiang T.Y. Approaches to finite element analysis of the foot-shoe interface in diabetic patients // Proceedings of NACOB II, The Second North American Congress on biomechanics, Chicago, August 24th -28th, 1992.-P. 279-280.

51. Chahg Wen-Ruey The effects of slip criterion and time on friction measurements // Safety Science. Vol. 40,2002.- P. 593-611.

52. Chockalingam N., Surendra M., Das B.H. Comfort the buzz word in footwear// Schuh-Technic International.- № 7-8.- 1994.- P. 376-377.

53. Chu T.-M., Reddy N.P., Padovan J. Three-dimensional finite element stress analysis of the polypropylene, ankle-foot orthosis: static analysis // Medical Engineering Phys.- Vol. 17, No. 5. .-1995- P. 372-379.

54. Corradi L., Zavelani A. A linear programming approach to shakedown analysis of structures // Computational Methods in Mechanical Engineering. Vol. 3.- 1974.- P. 37-53.

55. D' Agati Michael, Ladin Zvi. Finite element analysis of the midsole of running shoe // Proceedings of NACOB II, The Second North American Congress on biomechanics, Chicago, August 24th 28th, 1992.- P. 265-266.

56. Eils Eric, Nolte Stefan and al. Modified pressure distribution patterns in walking following reduction of plantar sensation // Journal of Biomechanics.- Vol. 35.- 2002.- P. 1307-1313.

57. Gross-Weege J. A unified formulation of statical shakedown criteria for geometrically nonlinear problems // International Journal of Plasticity.- Vol. 6.- 1990.- P. 433-477.

58. Hamilton R., Boyle J.T. and Mackenzie D. The estimation of shakedown loads in complex structures // EUROMECH 385, Aachen, Germany, September 8-11,1998.- P. 35-37.

59. Hamilton R., Boyle J.T., Mackenzie D. Shakedown load interaction diagrams by elastic finite element analysis // ASME International Congress and Exposition. Atlanta. Vol. 343.- 1996.- P. 205-211.

60. Hennig Ewald M. and Sanderson David J. In-Shoe Pressure Distributions for Cycling With Two Types of Footwear at Different Mechanical Loads // Journal of Applied Biomechanics.- Vol. 4.- 1995.- P. 68-79.

61. I.M. Klebanov. J.T. Boyle. Shakedown of creeping structures // International Journal of Solids and Structures. Vol.35. No. 2, 3.- 1998.- P. 3121-3133.

62. Kim In-Ju, Smith Richard Observation of the floor surface topography changes in pedestrian slip resistance measurements // International Journal of Industrial Ergonomics.- Vol. 26.- 2000.- P. 581-601.

63. Kurz B. Faktoren des Schuhtragekomforts Bedeutung und Quantifizierung // Schuh-Technic International - Vol. 89, No. 10- 1995.- P. 16-20.

64. Lemmon David, Shiang T.Y. and al. The effect of insoles in therapeutic footwear a finite element approach // Journal of Biomechanics.- Vol. 30, No.6.- 1997.- P. 615-620.

65. Liu W.N., Meschke G., Mang H.A. Algoritmic stabilization of FE analyses of 2D frictional contact problems with large slip // Computational Methods in Applied Mechanical Engineering.- Vol. 192.- 2003.- P. 2009-2124.

66. Mackenzie D., Shi J., Boyle J.T. Finite element modelling for limit analysis by the elastic compensation// Computer and Structures.- Vol. 51.- 1993.- P. 404-410.

67. Miller-Young Janice E., Duncan Neil A., Baroud Gamal. Material properties of the human calcaneal fat pad in compression: experiment and theory // Journal of Biomechanics.- Vol. 35.- 2002.- P. 1523-1531.

68. Polizzotto C., Borino G., Parrinello F., Fuschi P. Shakedown analysis by simulation // Solid Mechanics and Its Applications.- Vol. 83.- 2000.- P. 335-364.

69. Ponter A.R.S., Carter K.F. Limit state solutions based on linear elastic solutions with spatially varying elastic modulus // Computational Methods in Applied Mechanical Engineering.- Vol. 140.- 1997.- P. 259- 279.

70. Ponter A.R.S., Carter K.F. Shakedown state simulation techniques based on liner elastic solutions // Computational Methods in Applied Mechanical Engineering.- Vol. 140.- 1997.- P. 237-258.

71. Ponter A.R.S., Chen H. A minimum theorem for cyclic load in excess of shakedown, with application to the evaluation of ratchet limit // European

72. Journal of Mechanics -A /Solids.- Vol. 20. No.4.- 2001.- P. 539-553.

73. Scott Stephen H., Winter David A. Biomechanical model of the human foot: kinematics and kinetics during the stance phase of walking // Journal of Biomechanics.- Vol. 26, No. 9.- 1993.- P. 1091-1104.

74. Seshadri R., Fernando C.P.D. Limit loads of mechanical components and structures using the GLOSS R-Node method // AS ME PVP. San Diego.

75. Vol. 210-2.-1991.- P. 125-134.

76. Shanti Jacob and Mothiram K. Patil Three-dimensional Foot Modeling and Analysis of Stresses in Normal and Early Stage Hansen's Disease with Muscle Paralysis / Journal of Rehabilitation Research and Development.-Vol. 36, No. 3.- 1999.- P. 630-645.

77. Silveira J.L., Zouain N. On extremum principles and algorithms for shakedown analysis // European Journal of Mechanics /А Solids.- Vol. 16.p No.5.- 1997.- P. 757-778.

78. Stumpf H., Schieck B. On the incremental shakedown analysis in finite elastoplasticity // EUROMECH 385, Aachen, Germany, September 8-11, 1998.- P. 27-29.

79. The case of comfort is distortion // World Leather.- Vol. 7, No. 4.- 1994. -P. 137.

80. Ф 90. Valiant G.A. A determination of the mechanical characteristics of thehuman heel pad in vivo // Ph. D. thesis, Pennsylvania State University, Pennsylvania. 1984.

81. Verdejo Raquel and Mills Nigel. Performance of EVA foam in running shoes // The Engineering of Sport 4, Eds S. Ujihashi and S.J. Haake, Blackwell. 2002.- P. 580-587.

82. Weichert D. On the influence of geometrical nonlinearities on the shakedown of elastic-plastic structures // International Journal of Plasticity. -Vol. 2.- 1986.-P. 135-148.

83. Zavarise G., Wriggers P., Schrefler, Method for solving contact problems // International Journal of Numerical Methods Engineering.- Vol. 42.- 1998.-P. 473-498.