[发明专利]一种基于绝对零刚度结构的隔振鞋中底的3D打印制作方法

说明书

一种基于绝对零刚度结构的隔振鞋中底的3D打印制作方法，先确定鞋中底承载级别，鞋中底采用镂空晶格结构，规划晶格单元的排列方式；再给晶格单元设定一个初始构型，使上下刚性臂、主刚性臂组合成上下对称的六边形结构；然后采用有限元仿真对晶格单元的等效刚度进行评估，采用机器学习算法，以晶格单元的等效刚度绝对等于零作为目标功能，对晶格单元特征元件的几何尺寸进行自动搜索，确定满足条件的晶格单元构型；结合设计简约性原则，确定最优零刚度晶格单元；将最优零刚度晶格单元按照鞋中底的晶格结构进行阵列，得到晶格阵列，并根据鞋中底模型进行排布；最后对鞋中底样件进行3D打印；本发明实现了复杂鞋中底结构的一体化、轻量化快速成型。

技术领域

本发明属于隔振鞋中底技术领域，具体涉及一种基于绝对零刚度结构的隔振鞋中底的3D打印制作方法。

背景技术

人体的器官对低频段机械振动比较敏感，因此彻底解决隔振系统的低频失效问题，实现具有全频段隔振效果的鞋中底设计，无论是在基础科学、康复医疗，还是人类的日常生活等领域都具有重大的研究意义。近年来，人工构筑的、具有超常规物理性能的超结构一直备受研究人员的关注，通过对内部微结构的合理设计，可以实现自然界极为罕见的新奇特性。交叉融合机器学习算法、模块化设计思路和复合材料3D打印技术，可以实现具有零刚度性能的人工超结构，为实现全频段隔振的鞋中底结构提供了可行方案。

在制造方面，鞋中底结构需要满足严苛的抗疲劳需求，确保足够的使用寿命。3D打印技术为实现高强度复杂结构件的轻量化、一体化成形提供了新的技术手段，其继承了3D打印无模自由成形的技术优势，能够摆脱高昂的模具限制与冗长的工艺流程，大大降低样件的制造与时间成本；此外，3D打印技术赋予了设计更多的自由度，可以兼容多种材料，例如柔性材料、连续纤维增强复合材料等等，在满足不同人群鞋中底定制化需求的同时，保证鞋中底的抗疲劳性能，具有低成本、一体化、轻量化制造的优点。

目前，大部分鞋中底是使用发泡材料、EVA、E-TPU等较软材料来吸收振动。结构避振方面，经常利用波浪或拱桥的形状来到支撑与缓冲的功能。这些鞋中底的隔振性能往往存在两个缺点：首先，为了使鞋中底在最大范围内具有隔振效果(最大程度降低隔振的起始频率)，需要尽量降低体系的等效刚度，或者提升其等效质量，而等效刚度的降低往往会导致鞋底承载能力下降，这两者之间的矛盾使得现有的鞋中底结构在低频段效果较差，或承载能力弱；其次，现有的隔振结构往往是凭借经验设计而成，缺乏有效的理论指导，很难在浩如烟海的设计方案中确定一个隔振效果最优的结构。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种基于绝对零刚度结构的隔振鞋中底的3D打印制作方法，实现了复杂鞋中底结构的一体化、轻量化快速成型。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于绝对零刚度结构的隔振鞋中底的3D打印制作方法，包括以下步骤：

1)根据使用者的体重范围，确定鞋中底的承载级别；鞋中底采用镂空晶格结构，根据其整体尺寸规划晶格单元的排列方式；

2)给晶格单元设定一个初始构型，晶格单元包括上刚性臂4-1，上刚性臂4-1的两端分别和第一主刚性臂2-1、第二主刚性臂2-2的一端通过第一柔性铰链5-1、第二柔性铰链5-2连接，第一主刚性臂2-1、第二主刚性臂2-2的另一端通过第三柔性铰链5-3、第四柔性铰链5-4连接第三主刚性臂2-3、第四主刚性臂2-4的一端，第三主刚性臂2-3、第四主刚性臂2-4的另一端通过第五柔性铰链5-5、第六柔性铰链5-6连接下刚性臂4-2的两端，使上刚性臂4-1、第一主刚性臂2-1、第三主刚性臂2-3、下刚性臂4-2、第四主刚性臂2-4、第二主刚性臂2-2依次组合成上下对称的六边形结构；