【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及鞋类领域，具体为一种应用于鞋底的内凹蜂窝结构变形方法。
技术介绍
1、3d打印技术即增材制造技术，在鞋类领域应用的国内外应用处于上升阶段。目前3d打印技术有立体光固化成型(stereo lithography appearance，sla)、选择性激光烧结(selective laser sintering，sls)、熔融沉积制造(fused deposition modeling，fdm)等。自2013年起，3d打印技术在鞋类制造领域得到广泛应用，不过值得注意的是，最早期3d打印在鞋垫方面主要应用于医疗领域，特别是生产医疗矫正足垫。而如今，3d打印鞋垫和鞋类产品制造的研究已经取得了显著进展。这方面的研究涉及到从具体的实施技术，到材料选择，到潜在的应用场景，内容涵盖广泛。
2、3d打印鞋中底结构主要是点阵结构，而点阵结构材料的作为未来多功能化的关键部分，受到国内外学者的重点关注，从上世纪50年代开始，关于多孔结构材料的设计和应用的各种理论不断出现，使人们对多孔结构点阵结构材料的认识越来越深。点阵结构材料能够达到目前为止只有空心材料才具备的特性，例如具有高刚度、高能量吸收以及低密度的断裂韧性。
3、内凹蜂窝结构是属于点阵结构的一种。蜂窝结构是一种天然的框架结构，其平面内的二维单元按照规则排列，三维空间则呈平行层次排列，构成有着规律性拓扑布局的结构。这种结构内部单胞的互连形成了网络结构，相对于基体材料来说，蜂窝结构拥有更高的孔隙率和更轻的密度，因此具备优越的比刚度和比强度以及卓越的能量吸收能力。
技术实现思路
1、(一)解决的技术问题
2、针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种应用于鞋底的内凹蜂窝结构变形方法，具备优越的比刚度和比强度以及卓越的能量吸收能力的优点，解决了上述
技术介绍
中的问题。
3、(二)技术方案
4、为实现上述优越的比刚度和比强度以及卓越的能量吸收能力的目的，本专利技术提供如下技术方案：一种应用于鞋底的内凹蜂窝结构变形方法，包括以下步骤：
5、步骤s1：中间层率先变形，单元体构型逐渐由初始的内凹六边形构型转变为扁平不规则六边形构型，结构此时位于应力-应变曲线的第一平台阶段；
6、步骤s2：六边形构型变形为结构相邻单元壁相互接触逐渐被压缩，形成双单元壁，结构位于应力-应变曲线的第二平台阶段；
7、步骤s3：使用万能试验机对经典六边形蜂窝结构、二维内凹蜂窝结构和三维内凹蜂窝结构进行单轴准静态压缩实验；
8、优选的，所述步骤s3中内凹蜂窝结构由三个基本参数决定，参数包括单元体宽度w、直边长度s和倾斜角θ，另外两个几何参数包括单元体高度h和斜边长度l，则可以用三个基本参数表示：
9、h＝2s-2lcosθ
10、
11、同时为确保蜂窝构型的一致性，对单元体的几何限制需要满足下列不等式(1)：
12、s≥2lcosθ
13、其中，l表示为单元体斜边长度，l＝3.2mm，s表示为单元体直边长度，s＝5mm，h表示为单元体的高度，h＝7.8mm，θ表示为单元体直边与斜边的夹角，θ＝70°，b表示为单元体在z方向的长度，b＝19.5mm，内凹蜂窝结构包含有nx*ny＝3*3个单胞；
14、相对密度ρr的定义为有效密度与基体材料的密度之比，或者结构杆件体积与结构包络体积之比，二维内凹蜂窝结构的相对密度可表示为：
15、
16、几何参数单元体高度h和斜边长度l依旧满足上述式子1和2，为保证结构的一致性，三维内凹蜂窝结构的设计参数需要满足下列的几何协调约束不等式(2，3)：
17、s≥2lcosθ
18、如果将单元壁厚度t考虑在内，上述几何约束条件将改变为：
19、
20、为了避免结构中共用一个斜边的相邻直边的重叠，还需要满足下列不等式(4)：
21、t＜lsinθ
22、其中i表示为单胞斜边长度，i＝3.2mm，s表示为单胞直边长度，s＝5mm，h表示为单胞的高度，h＝7.8mm，θ表示为单胞直边与斜边的夹角，θ＝70°，w表示为单胞的宽度，w＝6mm，三维内凹蜂窝结构包含有nx*ny*nz＝3*3*3个单胞；
23、考虑一个参数，即单元壁厚度(t)，其范围为0.9mm～1.5mm，间隔0.1mm取值，通过测试得到试件在x方向的尺寸为19.5mm，在y方向的尺寸为13.8mm，在z方向的尺寸为19.5mm，三维内凹蜂窝结构的相对密度ρr可定义为：
24、
25、其中，分子的第一项为计算单元体中竖直杆的体积，s部分表示为由于竖直杆厚度引起的伸长体积，分子第二项为计算单元体中倾斜杆的体积，其中从l中减去的部分表示为由于竖直杆以倾斜杆重叠而减小的倾斜杆体积；
26、二维内凹蜂窝结构试件进行了面内准静态压缩试验包括选用最大试验力为30kn的mts电子万能试验机进行试件的z方向单轴准静态压缩试验，试验机包括电子位移控制器、载荷传感器、加载平台和压盘。试件被放置与两个金属压盘之间；
27、工程应力应变曲线是指在工程实际应用中常用的应力应变曲线，它是通过测量外部载荷和试件变形量得到的应力应变曲线，应力值为加在载荷除以试件受力面积，应变值为试件变形量除加载方向上初始尺寸，其应力表达式为：
28、
29、其中，σ为工程应力，f为压缩过程中加载的力，a为试件受力面积；
30、工程应变数学表达式为：
31、
32、其中，∈为工程应变，δl为压缩方向的变形量，l为试件的初始的尺寸；
33、在二维内凹蜂窝结构受压过程中，应力做功，可对工程应力应变曲线进行积分，从而得到应变能大小，其数学表达式为：
34、
35、其中，σ表示压变力，w表示应变能，εd为结构致密化时所对应的应变值，此时所算得结果为单位体积应变能。
36、步骤s4：通过选择性激光烧结技术打印了三种类型蜂窝结构的不同几何形状的试件。
37、(三)有益效果
38、与现有技术相比，本专利技术提供一种应用于鞋底的内凹蜂窝结构变形方法，具备以下有益效果：
39、本专利技术通过3d打印技术制造出两种不同的蜂窝结构试件，重点研究了几何尺寸如何影响结构的力学表现。试验结果揭示了这些结构在受力时展示出独特的变形行为，特别是呈现出双平台应力响应的特点。其中，第一应力平台大约是第二应力平台的两倍，这一现象增强了结构的压缩抗力。随着结构的相对密度增加，结构会从双平台阶段过渡到单平台阶段。此外，比较了二维和三维内凹蜂窝结构在能量吸收方面的性能，发现二维内凹蜂窝结构在此方面表现更佳，三维内凹蜂窝结构在能量吸收效率方面表现更优。研究中还建立了结构的几何尺寸与其等效杨氏模量之间的关系，这一结果为进一步的鞋垫优化设计提供了重要的理论依据。
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1.一种应用于鞋底的内凹蜂窝结构变形方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种应用于鞋底的内凹蜂窝结构变形方法，其特征在于，所述步骤S3中内凹蜂窝结构由三个基本参数决定，参数包括单元体宽度w、直边长度s和倾斜角θ，另外两个几何参数包括单元体高度h和斜边长度l，则可以用三个基本参数表示：
3.根据权利要求1所述的一种应用于鞋底的内凹蜂窝结构变形方法，其特征在于，所述步骤S3中的二维内凹蜂窝结构试件进行了面内准静态压缩试验包括选用最大试验力为30KN的MTS电子万能试验机进行试件的z方向单轴准静态压缩试验，试验机包括电子位移控制器、载荷传感器、加载平台和压盘。试件被放置与两个金属压盘之间；
4.根据权利要求1所述的一种应用于鞋底的内凹蜂窝结构变形方法，其特征在于，所述步骤S3中在二维内凹蜂窝结构受压过程中，应力做功，可对工程应力应变曲线进行积分，从而得到应变能大小，其数学表达式为：
【技术特征摘要】
1.一种应用于鞋底的内凹蜂窝结构变形方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种应用于鞋底的内凹蜂窝结构变形方法，其特征在于，所述步骤s3中内凹蜂窝结构由三个基本参数决定，参数包括单元体宽度w、直边长度s和倾斜角θ，另外两个几何参数包括单元体高度h和斜边长度l，则可以用三个基本参数表示：
3.根据权利要求1所述的一种应用于鞋底的内凹蜂窝结构变形方法，其特征在于，所述步骤s3中的...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨永泰，张澳，林旭泽，魏铭，张隆，韩毅，
申请(专利权)人：泉州装备制造研究所，
类型：发明
国别省市：
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