仿猫脚掌肉垫极小曲面鞋底的缓冲性能实验研究

目的士兵在跳伞着陆或山地作战时,下肢往往会面临较大的地面冲击,造成足踝部位冲击损伤。为此,本文基于三维周期极小曲面多胞结构和猫脚掌肉垫特性,设计了一款具有优异缓冲性能的缓冲靴,实现了对足踝的抗冲击防护。方法首先,本文通过准静态压缩实验和有限元仿真,分析了4种典型极小曲面结构的力学响应特性,优选Diamond-Gyroid结构极小曲面作为鞋底结构。随后,采用SLS 3D打印技术制备了鞋底样件,结合实验与数值模拟,对结构壁厚、拓扑形态等进行参数化分析。在此基础上仿照猫脚掌结构,在鞋底受力区域填充剪切增稠流体,进行仿生设计和参数优化。最后,采用SLS 3D打印技术制备仿生鞋底结构,组装形成缓冲靴后开展了一系列准静态压缩实验、低速落锤冲击实验以及低空跃下实验。结果在准静态工况下和动态工况下,鞋底在压缩前期就能够提供一定的反力,鞋底的力学性能获得了改善;低空跃下实验显示本文设计仿生缓冲靴相较于普通缓冲靴在80 cm高度下反力峰值降低了9.17%,在100 cm下反力峰值降低了22.54%,而在120 cm下反力峰值降低了25.66%。结论总体上,本文设计的缓冲靴在100、120 cm高度下反力峰值降低了15%以上,具有优异的缓冲效果,可以满足我国士兵作战时的足踝防护需求。