Research on the cushioning performance of sports shoes' midsoles based on reinforced composite loofah material

Zhang Zonghai, Zuo Jingwu

Beijing Normal University，Zhuhai  519087

Abstract: Based on the three-dimensional structural characteristics of the loofah complex, an enhanced composite loofah complex material was developed for the design of a midsole cushioning module in running shoes. Furthermore, experiments were conducted on the material, including dynamic impact vibration, compression, vibration damping and loss coefficient, fatigue testing, and compression testing. The test results indicate that the midsole achieves an ideal balance between weight and mechanical performance, making it an excellent cushioning material with high durability.

Keywords:Loofah; Vibration damping; Young's modulus; Mid sole; Cushioning

自然界中存在许多种类的生物材料，如木材、竹子、棕榈、椰壳、丝瓜络等均有制造轻质缓震材料的潜力或存在结构仿生的可能性。一般来说，低密度孔隙材料的有效特性取决于其宏观结构、微观结构和固体成分的特性。在上述集中坦然材料中，丝瓜络在宏观尺度上具有独特的空间孔隙纤维结构，并具有超轻、高弹性、优良的吸收性等优良特性。近年来，随着科技的发展，丝瓜络经科学开发，已悄然成为一种新型的天然工业材料，在包装、消声、过滤、保温、减震和抗冲击缓冲器等工程领域获得应用^[1]。

在跑鞋设计领域，缓震技术是衡量产品质量的重要指标。人工合成缓震材料正被广泛应用于跑鞋中底结构设计中。鞋中底是鞋底和鞋身中间的夹层部分，是承载缓震技术的核心结构，在运动时起到缓冲地面震动的作用。近年来，跑步运动员的人数大幅增长。但由于人们使用的跑鞋缓震效果不佳也导致用户膝关节和踝关节的损伤比例同步增长。实验研究证明，奔跑时地面给身体造成的冲击是步行时的3倍^[2,3]，因此一双跑鞋的性能如何，鞋中底的好坏很重要。而缓震性能是评价运动鞋性能的重要指标，高缓震性能的运动鞋能够起到保护人体的作用^[4]。中底的合理结构设计与材料选取直接关系到整个运动鞋的缓震效果^[5]。在跑鞋中底的设计中考虑采用的材料应该是结构合理、性能优异、具有高阻尼系数的。丝瓜络具有低密度，良好的机械强度，更好的缓震特性等性能，可以作为重要的设计参考来源。因此，本研究的目的是利用增强型复合丝瓜络纤维结构改善跑鞋中底的阻尼特性，尽量减少跑步运动中经常发生的伤害。

1.丝瓜络实验样品的制备

1.1.纤维的提取

自然成熟的丝瓜干燥果实中有一个多方向的孔隙状纤维结构，称为丝瓜络。丝瓜络有复杂的几何结构。丝瓜的空间构造有一些显著的特点。首先，丝瓜络分为内部纤维核心和外部圆柱形核心两部分，通过三个径向的壁连接。其次，每层都有大量的开放性孔隙，这一特点导致丝瓜络的相对密度较低。第三，每层都有不同的孔隙模式。在最外层，孔隙是沿轴向分布的，而内层的孔隙分布是在环形方向。因其独特的纤维状微结构和宏观孔隙结构，包括均匀分布的空隙和连接牢固的空间结构，丝瓜络具有低密度、高弹性等独特的结构特性。

1.2.化学处理

首先用蒸馏水处理丝瓜纤维。用蒸馏水浸泡、清洗和冲洗丝瓜络材料一个小时，直到变得柔软。在室温下充分干燥。其次，将丝瓜纤维在摩尔浓度为1mol/L的氢氧化钠溶液中浸泡2h。然后将其从溶液中取出，在室温下进行干燥。

1.3.实验样品的制备

A.受限于丝瓜络外壁与内腔间的厚度，将丝瓜海绵纤维切成65mm×50mm×10mm的方块。

B.纤维块上的纤维方向平行排列，三个纤维块上下叠加，得到一个65mm×50mm×30mm的长方形样品。

C.热塑性树脂DY250与固化剂TH7103按2:1的比例混合，将混合溶液均匀涂抹在样品上，涂料固化后可获得增强结构的丝瓜络复合材料。

2. 热塑性树脂强化丝瓜络原料力学性能测试

2.1.  材料性质的确定

热塑性树脂强化丝瓜络表现出粘性和弹性材料的特性。因此，它被归类为粘弹性材料。一般情况下，粘弹性材料主要用作阻尼层。其主要特征与温度及频率有关。材料在外力作用下，弹性和粘性两种变形机制同时存在的材料。树脂增强丝瓜络复合材料由长的柔性纤维组成，在本质上是粘弹性的。

2.2 振动阻尼测试与损耗系数的确定

为了测试样品的震动阻尼数据和结构的频率响应函数，必须对结构施加激励。常见的激励方式有力锤激励和激振台激励。力锤激励的优点是快速、方便，适合于现场测量。因此本实验采用力锤激励进行测试。振动阻尼测试中的损耗系数是重要的数据指标。损耗系数是应力与应变之间的相位角差称损耗角)的正切值，通常作为受强制振动体系阻尼的一种量度。也可以把它看成在拉伸、剪切、压缩和纵向压缩中测量的损耗模量〔或损耗柔量)与储能模量(或储能柔量)之比。热塑性树脂强化丝瓜络样品的损耗系数是用ENDEVCO 2302型模态力锤测定的。该模态力锤在一个频率范围内以恒定的冲击力激励样品。对选定频率的激励响应进行了测量和记录，如表1所示。

表1.振动阻尼测试

2.3. 疲劳测试与杨氏模量的确定

在实验中，杨氏模量是用样品的已知共振频率来评估的。实验结果如表2所示，对模量进行了评估和记录。实验使用的是ASTME606-04 应变控制疲劳试验设备，它被校准为应变控制的低和高循环疲劳测试标准。为准确模拟运动鞋在使用过程中的状态，该机器装载的样品被加热到33℃，并使其产生80kg的动态冲击力。相对湿度被调节到85%。测量并记录低、高应变率和松弛时间。机器自动重复一定循环次数。实验结束后获得测试数据，如2所示。

表2.疲劳测试

2.4 压缩测试

通过统计数据分析，假定运动员体重为80kg，典型运动时长为2.5h。基于以上数据，在压缩机上装上测试样品，施加80kg的压缩力约2.5h。测量并记录低水平。释放负载，以2s的时间间隔记录高位，直到样品达到其原始高度。压缩分析测试曲线如图1所示。

图1 压缩测试分析曲线

通过采用Kelvin-Voigt模型对增强丝瓜络的力学性能进行数学建模。在分析了0.023m、0.033m、0.043m、0.053m和0.066m的厚度后，得出了运动鞋中底的最佳厚度为43mm（如图2所示）。

图2 中底厚度为43mm的振动阻尼脉冲响应

3.实验分析

3.1 中底高度的设定

对缓震特性来说，运动鞋中底的高度是至关重要的指标。它影响着鞋与地面的接触点和冲击力,而冲击力决定了缓震系统内的振动动态。它随着中底接触点和地面之间的距离成比例地变化。随着中底厚度的增加，中底的阻尼特性接近稳定状态。在损伤性阻尼振动中，缓震系统达到渐进稳定的时间是最重要的。如图2，当厚度为43mm时，系统在尽可能短的时间内达到渐进稳定状态。因此可假设运动员的体重为80kg，中底的厚度为43mm作为设计标准。该系统的阻尼效率是中底设计系数的函数。设计系数取决于中底的厚度，而中底的厚度也影响着运动员跑步的速度。如果使用高中底，运动员的势能会很高，在跑步运动中会转化为高动能和动量。因此，该系统的势能与中底厚度成正比。在跑步运动中，该厚度也提供了有效的阻尼机制。

3.2 振动阻尼机制分析

中底的设计是为了有效地将振动能量转化为热能的同时减少随时间变化的应变率。此外，中底还为低或高循环负荷期间的持续振动保留了边际能量。边际能量可使振动能量产生叠加进而产生共振，为用户提供舒适体验。在运动过程中，每一次压缩-松弛循环的能量耗散率随时间成比例地增加。这一过程会把振动能量被转化为热能，辐射到周围，从而使应变振幅降低到稳定状态。在跑步运动中使用震动阻尼机制不佳的运动鞋会导致膝盖和脚踝受伤。这样的鞋子不能阻尼长时间的振动导致的应变振幅的升降。而新设计的振动阻尼系统则可在尽可能短的时间内达到渐进稳定状态。中底的阻尼特性被描述为欠阻尼。这是一个控制因素的函数，如损耗系数、杨氏模量和设计系数等，如图1所示。中底的设计是为了确保损耗系数、杨氏模量和设计系数之间达到平衡，以保证跑步时的舒适性和高阻尼效率。

3.3 疲劳强度

设计中所选择的材料是中底耐用性和有效性重要影响因素。实验数据表明，设计的强度随着冲击力率和应变率的降低而递减。振动阻尼结构的疲劳寿命在0-1,200,000的循环次数，大致相当于1720km的距离。超过这个范围就会产生疲劳。这种设计适用于长距离和短距离的跑步练习，也适用于低速和高速的跑步练习。疲劳试验结果如图3显示，应变振幅率随着冲击率的增加而减少。这表明，中底的强度随着每次负荷的增加而降低。

图 3 振动阻尼结构的疲劳强度分析

3.4 弹性行为

中底的弹性是重要设计指标。中底在长时间的压缩下会迅速放松。丝瓜络三维网络结构和热塑性塑料基体共同实现了中底的弹性性能。丝瓜络结构具有弹簧性质，而基体能增强材料强度和耐用性。因此，强化的复合丝瓜络结构中底表现为优异的弹性特点。设计系数被四舍五入到最接近的百位数，对跑者体重范围内的平均厚度进行了评估。中底的表面积可以用公式计算。这是因为在体重范围内，中底的表面积是不同的。

4.结语

这项研究涉及到确保跑步运动中安全和舒适的整体因素。现有统计数据显示，跑步运动员在跑步运动中因脚踝和膝盖受伤的频率在上升。跑步过程中的冲击力会引起应变，通过脚和脚踝以垂直正弦波的形式传递到身体更重要的部位。大多数时候，冲击力大于脚和腿部肌肉的动能衰减能力，由此造成伤害。本文对增强型复合丝瓜络材料进行实验。实验数据和分析表明，此材料是一种理想的机械改进材料，能够有效地抑制跑步时因冲击而产生的振动，是跑鞋中底的理想材料。超轻孔隙材料适用于吸收瞬时冲击能量。未来的研究将集中在轻质三维孔隙结构的制造和它的轴向抗压性能。进而对带有所开发的以轻质三维孔隙材料为芯材的夹层复合材料进行测试，目的是研究其在各种载荷（如冲击载荷）下的机械性能。对这种轻质结构的更精确的数值研究可以在未来通过混合有限元法等先进的数值方法进行。

参考文献：

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