鞋底硬度和厚度等设计特性通过定义生物动力学模型中的刚度和阻尼系数，从根本上决定了振动传递。在这些模拟中，连接鞋、脚部皮肤和脚部部分的界面被表示为平移弹簧-阻尼器系统。通过改变中底缓冲和材料密度等物理属性，工程师可以改变这个耦合节点的粘弹性特性，从而有效地控制振动能量从车辆地板或踏板传递到人体的过程。
鞋类在生物动力学系统中充当可调谐的机械滤波器，其中特定的材料选择直接改变了乘员与振动源之间的数学耦合。优化这些粘弹性特性对于隔离高频振动和最大程度地减少身体疲劳至关重要。
模拟脚-鞋界面
弹簧-阻尼器类比
在生物动力学建模中，鞋子与人脚之间的复杂相互作用被简化为平移弹簧-阻尼器系统。
这个机械等效物代表了外部力进入身体的“耦合节点”。
定义耦合节点
该模型将鞋类、脚部皮肤和脚部部分视为一个统一的传递路径。
该路径的振动特性不是固定的；它们完全取决于所穿鞋子的机械性能而可变。
关键设计变量及其影响
鞋底材料硬度
鞋底材料的硬度是模型中刚度系数的主要决定因素。
较硬的鞋底会产生更硬的弹簧表示，这通常会允许更多的振动传递，而较软的鞋底会降低这种刚度。
厚度和几何形状
鞋底的物理厚度有助于耦合的整体几何形状。
厚度的变化会改变力的作用距离，从而影响系统的弹簧率和阻尼潜力。
中底能量吸收
中底的缓冲性能定义了阻尼系数。
这代表了鞋子消散能量而不是传递能量的能力，在鞋类的“粘弹性设计”中起着关键作用。
功能结果：振动滤波
衰减高频
优化这些设计特性的主要目标是滤除特定的振动频率。
参考资料强调，有效设计专门针对来自车辆踏板或地板的高频振动。
减少生物影响
通过调整刚度和阻尼以阻止这些频率，模型预测脚部疲劳会减少。
这种传递力学的直接改变可以提高整体乘员舒适度。
理解优化中的权衡
粘弹性平衡的必要性
优化鞋子不仅仅是让它尽可能柔软；它需要精确的粘弹性平衡。
设计必须具有正确的刚度组合来支撑脚部，并具有足够的阻尼来吸收能量。
材料性能相互依赖
改变一个特性，例如增加厚度以获得更好的阻尼，可能会无意中改变刚度。
设计师必须理解这些变量是相互关联的；你不能在不同时改变模型中的弹簧和阻尼系数的情况下改变物理材料。
为您的目标做出正确的选择
为了有效地利用生物动力学模型进行鞋类和振动分析，请考虑以下应用：
- 如果您的主要关注点是乘员舒适度：优先通过中底缓冲增加阻尼系数，以滤除高频振动并减少疲劳。
- 如果您的主要关注点是模型准确性：确保您的模拟准确反映了所讨论鞋子确切的鞋底硬度和厚度得出的特定刚度和阻尼系数。
- 如果您的主要关注点是振动隔离：调整粘弹性设计，以创建“更软”的耦合节点，从而最大程度地减少从车辆地板或踏板的能量传递。
最有效的安全鞋和训练鞋是将材料科学直接转化为优化的机械滤波性能的鞋子。
摘要表：
| 设计特性 | 生物动力学模型参数 | 对振动传递的影响 |
|---|---|---|
| 鞋底硬度 | 刚度系数 | 更高的硬度会增加刚度和能量传递。 |
| 中底缓冲 | 阻尼系数 | 增强的缓冲能力可增加能量耗散（阻尼）。 |
| 鞋底厚度 | 几何弹簧率 | 更大的厚度为振动衰减提供了更多体积。 |
| 材料密度 | 粘弹性 | 决定高频滤波的效率。 |
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参考文献
- Abeeb Opeyemi Alabi, Namcheol Kang. Development of a 7-DOF Biodynamic Model for a Seated Human and a Hybrid Optimization Method for Estimating Human-Seat Interaction Parameters. DOI: 10.3390/app131810065
本文还参考了以下技术资料 3515 知识库 .
