虚拟鞋类设计平台 - 文章

虚拟鞋类设计平台

作者：希腊爱琴大学技术设计中心来源：Ringer

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鞋类的设计和制造包括鞋类创意设计、鞋类工业设计、皮革切割、鞋类缝制、组装和后整饰几个阶段。

本文关注鞋类设计的最初两个阶段。在第一个阶段，创意设计人员绘制鞋类的草图。这是理念设计过程，通常采用纸张完成。但是，近年来已经开发了CAD和VR工具支持这种过程。在CAD系统中，使用3D数字化仪捕获现有鞋楦的几何形状并采用数字格式储存。然后，设计人员可以在系统中开始鞋类的新设计，开展更多的尝试，因此最佳发挥其创造力。VRShoe是设计鞋类美观程度的一种虚拟现实环境，在整个理念设计过程中提供更多的深入和互动支持设计人们的工作。

目前，数字化鞋楦和鞋类理念设计的主要商用工具包括Digital Evolution System的LastElf和ImagineElf、TDM Solutions的RhinoShoe、Delcam的Shoemaker以及Lectra的RomansCAD等。现在可以提供更多工具，不用开展鞋类早期设计阶段的逆向工程和表面处理等任务，因此可以用于加速理念设计。

工业设计涉及将创意转换为真正的产品。主要由技术人员执行这一过程，确保设计的比例和尺寸正确以及制造的方便性。这一阶段包括设计的模型制作，将鞋类的3D鞋面转换为2 D 展平裁样，并将在下一个阶段进行皮革裁切。这一过程涉及对3D设计的展平以及增加或取消材料以装配到3D最终产品。与手工工艺相比，使用CAD系统的展平工艺速度极快，得到几乎所有系统开发商的支持。

总之，由于使用上面所述的技术开发鞋类新品，每年新品开发次数可大大增多。因此，鞋类工业正在走向现代化。但是，从工程的角度来看，目前在其它方面支持鞋类新创意设计方面还没有取得重大进步，例如：刚性部件（后跟/鞋头）、挠性/柔性部件（后跟衬垫、连接件）和鞋面部。

本文介绍一种被称为虚拟鞋类设计平台（VSTB）的支持鞋类开发的创新性计算机辅助工程 (CAE) 系统。该系统包括不同鞋类部件的功能设计标准，以支持定义基于用户需要和喜好的每种产品的最佳解决方案。通过模拟鞋类部件的性能以及鞋类和使用者之间的相互作用实现这种目的，以达到合身性、舒适性和性能等级的预测性评估，不需要试制和验证样本实物。

VSTB架构

VSTB的主要架构参见图1。系统用于最大化使用率，因此可以采用代表所有鞋类部件表面几何形状的STL文件的形式从CAD系统（“CAD输出”）生成输入数据。这些数据可以直接转换为“VSTB输入文件”或VSTB图形环境(“GUI I/O”)。对于后一种情况，用户有机会提供其它数据以配置潜在的虚拟测试。调用中间的“鞋类形状简化器”（SSS或3S），以准备必要的几何图形数据执行VSTB测试。VSTB模拟处理器执行“VSTB输入文件”指定的测试并在“VSTB输出文件”中报告结果。然后，用户能够在系统的GUI中看到结果的可视化解释，或者将其导入“第三方GUI”，例如CAD系统的GUI。

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图1、VSTB的主要架构

为了方便鞋类CAD系统和VSTB之间进行数据交换，根据固定规格对输入和输出文件采用xml编码。

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图2、VSTB模拟构建模块

系统的基本构建模块参见图2，包括：

从CAD系统到VSTB模拟的转换器：采用该子系统，用户和/或转换人员可以将鞋类部件关联材料特性和VSTB测试；VSTB模拟处理器：是一个核心子系统，用于计算关于潜在形成减振、缓冲、弯曲/挠性、扭转、稳定性、重量、热舒适性和合身性的鞋类特性；数据库：“材料”数据库保存与VSTB测试相关的必要材料特性；“人体测量”数据库保存与足的尺寸相关的数据数值；“极限”数据库保存与正在评估的鞋类典型使用或典型用户组（儿童、中年人、男性、女性…）相关的估计特性的边界数值；性能评估器：该子系统负责根据相关的边界极限向用户提供计算的数值（评分）。

◆ CAD至VSTB转换器

作为一组STL文件从CAD系统导出鞋类数据。该转换器处理鞋类的几何形状并通过鞋类形状简化器计算鞋类的最重要/最关键的尺寸/测量数值。这些数据被传到VSTB的核心处理器执行真正的虚拟测试。需要采取这种简化过程，以避免VSTB核心单元中使用完整的3D鞋类模型和复杂的有限元方法。采用这种方法，可以避免开发工作速度极度缓慢以及用户需要掌握鞋类工业通常没有提供的一些专有知识的昂贵工具。因此选择使用可能精确度稍低的简化，但是速度更快，费用更低。

◆ VSTB模拟处理器

VSTB的这一核心子系统负责执行两种任务：(1) 建立各种鞋类元件的充分微分模型；(2) 执行用户选择的虚拟测试。这些任务的简述如下。

★ 鞋类微分模型

原则上，考虑三种建模方法用于VSTB：

DF：动态力平衡的分析微分方程。主要是一维分析描述，可以使用提供的数字方法和/或工具套件解决；MB：多体模型。采用一套弹簧阻尼器和物质等建模的多维微分描述，可以获取详细的接触交互作用（几何形状）。不能计算内部应力/应变；FE：有限元模型。将连续性分离为有限数量的子体积。计算每个体积的应力平衡。可以计算详细的几何形状描述、内部应力和应变。

表1列示了上面所述的所有三种建模方法及其关于VSTB理念方面的优点和缺点。目前版本的VSTB模拟处理器基于这些评述使用DF模型实施。主要理念是从较不复杂的建模方案开始，之后只改进工作性能可能准确性稍差的那些测试。

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使用DF模型时，主要使用表达长度、宽度、高度和厚度等实体的一维参数描述鞋类元素的几何形状。这些参数与储存在材料数据库之内的相关材料特性进行组合，根据执行的测试在合适的微分方程中替代整体数据。

★ 微分鞋类模型解决器(虚拟实验）

在该步中执行真正的鞋类特性计算，考虑了在前一步求得的最终微分方程。解决器使用储存在极限数据库中的边界条件并应用合适的数字方法获得由反应力、运动等组成的最终数据。

★ 性能评估器

在VSTB工具这一模块中，将模拟处理器的计算输出与特定鞋类及其用途定义的极限值进行对比。从材料和极限数据库选择合适的数据，以计算已经执行的虚拟测试的性能等级（分数）。使用图形界面向用户显示这些分数，以提供被评估的鞋类性能的快速和综合视觉印象。此类图形界面的示例参见图3。

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图3、相对于穿用者VSTB评估结果的图形界面图

每一虚拟测试的输出信息是一根具有两个极限的分数条，两个极限定义了达到充分性能的合适范围。每种功能方面的获得分数是从各种预测模型估计的参数计算的加权数值。例如，减振模型的输出参数为能量吸收和刚度。因此，相关减振分数为这两种参数的加权组合。

VSTB测试

在本部分中，我们提供各种VSTB测试的主要原理。但不进一步讨论每种测试的综合描述。

◆ 减振

减振测试模拟行走的第一阶段脚跟接触地面时鞋类材料的性能。在这一阶段，从脚跟通过身体的所有关节传输巨大冲击力，在重复周期中可能造成损伤。在实验室环境中，采用以物理原型开展的跌落测试模拟这种状况。测量垂直位移和能量分散，以评估鞋类的减振特性。在VSTB中，使用与鞋底、支撑内垫和内底相应的鞋类部分模拟减振。DF模型需要每种元件的厚度以及材料的特性，例如刚性和粘弹性系数。

在使用真实和模拟材料执行几次测试并对比结果之后，已经获得相关的数学DF模型。因此，已经开发了一种通用的DF模型进行进一步微调，以详细说明每种材料的性能。由于每种材料的八个系数的关系，这一DF方程与机械刚度σ和应变ε（时间函数曲线）相关。获得的最终性能组合了鞋类底部部件所有材料的模型。

σ= a + b . εi^c + d . εi^e . εi^f . εi^g - hσ. (Ⅰ)

ε= Σε_i (Ⅱ)

这一测试的结果输出由以下参数组成 :能量吸收：变形期间吸收能量的能力；最大变形：鞋底材料在负载之下的最大压缩水平；回弹：两个连续步伐之间的残余位移；动态刚度：表示压缩材料要求的必要力量；能量分散比率：表示材料分散振动能量的能力。

◆ 缓冲

该测试模拟材料充分分布压力的能力：(1) 脚后跟、第一跖骨和大脚趾之下（高压力）；以及 (2) 脚底之上 (低压力) 。

在实验室环境中，使用物理原型以及允许导入特定压力和时间负载执行位移控制的通用测试机器执行这一测试。在VSTB中，使用与鞋底、支撑内底和内底相应的鞋类部分模拟缓冲。DF模型需要每种元件的厚度以及材料的特性，例如刚度和粘弹性系数。已经根据上述公式获得相应的数学DF模型，但是，结果输出由此处所述的参数组成。

◆ 扭转

扭转测试模拟鞋类围绕其主轴（长度）旋转时的性能。在该测试中，鞋类原型的后跟通常固定在一定位置，在实验室设备的帮助之下，前部根据预定角度旋转。在VSTB中，使用鞋底的各个部分（前部、中底、后跟等）模拟扭转。DF模型需要鞋底宽度、每个鞋底元件的厚度以及相应的材料刚度系数。

采用一套串行和并行的扭转弹簧和阻尼器对鞋类的机械扭转性能建模。每种几何形状和材料部件的扭转性能可以看作一个机械弹簧元件，扭转刚度为ki j，其中i代表部件编号，j 代表相应的材料。该测试的结果输出为整体扭转刚度系数Kt。

◆ 热舒适性

热舒适性测试模拟热传输性，允许鞋类耐热以及水蒸汽传输。这些参数与鞋类内部的温度和湿度相关，因此与热舒适性相关。在实险室环境中，将允许水蒸汽传输的不能渗透袜子置于鞋类之内。袜子在控制温度35℃充满水。测量将水维持在恒定温度35℃需要的能量。

在VSTB中，使用所有鞋类部件模拟热舒适性。DF模型需要每个部件的厚度、各种材料覆盖的鞋类表面百分比以及不同鞋层的数量。该测试要求的材料特性包括耐热和耐水蒸汽、吸收、吸湿（通过材料的水传输系数）。

相应的DF数学模型由两个预测模块组成。第一个模块评估整个鞋类的热特性，第二个模型评估使用者感知的鞋类热舒适性。该测试的结果输出由整个鞋类的耐热性和整个鞋类的耐水蒸汽性能两参数组成。

◆ 合身性

合身性测试模拟足伸入鞋类内部的合身性。测试假设鞋楦具有与鞋类内部相同的3D形状。采用这种方法，在鞋类的鞋楦内部执行一组测量并与储存在人体测量数据库之内的相应测量数据进行对比。采用这种方法，可以预测会使鞋类穿着人员感觉不舒适或痛疼的鞋类合身性的不精确性。

在VSTB中，使用鞋类鞋楦的3D表面计算一组测量数据（参见图4a），通过识别鞋楦表面的重要位置和计算其间的合适（测绘）距离进行计算。同样，人体测量数据库含有与足部的相应解剖位置相应的几个测量数据（参见图4b）。

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◆ 重量

重量测试用于评估VSTB中虚拟鞋类的真实重量。使用各种鞋类部件的体积V和材料密度d实施测试。质量计算直观，即m = ΣdiVj 。

◆ 弯曲

弯曲测试模拟鞋底的弯曲性能。行走期间，足部的跖球部位出现鞋类弯曲。因此大约计算弯曲数量，就象鞋底固定在该区域一样。由于具有这一近似值，因此可以作为固定在足的球形区域的悬梁结构以及在后跟重复施加（垂直）力模拟鞋底。采用这种方法，还可以在实验室设置中验证这种模拟。在VSTB弯曲测试中，大底、内底和支撑内底受到影响。测试负责这些鞋底部分的不同层及其厚度。另外，DF模型需要鞋底宽度以及材料的刚度系数。

通过预定角度的弯曲力矩与弯曲角度作为合身性的一级系数确定测试输出。

VSTB应用程序

VSTB在MATLAB实验室中作为一种独立应用程序使用。已经开展了大量工作，以便于鞋类工业的最终用户使用这种应用程序。主要GUI参见图5描述。这种应用程序分为几个窗口，包括：显示鞋类及其鞋楦3D表面的3D图形窗口。该窗口也用于作出部件选择以及将材料分配到鞋类的各个部分；鞋类元件窗格显示鞋类的主要结构及其链接到相应STL文件的各种部件；外观和特性窗格显示与鞋类相关的信息、其使用环境以及控制各种部件的显示。

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通过称为“VSTB向导”的对话界面控制整个应用程序，由其负责收集必要的信息定义鞋类结构，将材料分配到鞋类部件，以及选择和配置VSTB测试。图6显示了这一程序的几个示例步骤。在VSTB向导的7个后续步骤完成虚拟实验。

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目前，VSTB应用程序正在参与本研究的鞋类公司的帮助之下进行验证。已经对比模拟结果和实验室中开展的真正测试结果检查了各种测试。验证结果令人满意，因为模拟结果和实险室结果十分相配。图7显示了缓冲测试的验证结果，构建了4个夹层，组合了各种广泛机械特性的4种不同材料。

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开展热舒适性测试是一个更为复杂的过程，因为预定模型中涉及几种鞋类元件，但是制造变量具有重大影响（即涂抹胶水对鞋面产生进一步的特异性质）。目前已开发DF模型已经针对模拟的25种不同鞋类模型测试进行了热舒适性测试，证实与真实的鞋样一致。图8的曲线描述了水蒸汽不渗透性能的情况。

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图8、25个鞋样水蒸汽不渗透性能的测试与预估值的关系曲线

结论

本文提出了一种新型计算机辅助加工工具以支持发展新的鞋类设计生产理念。这种工具称为VSTB，正在模拟影响鞋类与其穿着人员相互作用相关性能的重要功能标准。使用一组模拟测试开展虚拟实验，要求系统用户（鞋类设计人员）提供少量数据。VSTB工具旨在向鞋类工业提供设计和加工鞋类的新方式，不需要执行过多的物理原型测试。

整个系统架构独立于任何特定的CAD系统（商用、免费或研究系统），因为可以通过一组特定的xml编码输入/输出文件访问VSTB模拟处理器。目前，一些鞋类制造商正在验证整个系统，但是已经使用传统的实验室装置验证了各种工具。目前的实验不支持特殊类型的鞋类，例如靴子、专业运动鞋、高跟鞋等，只是集中于主流休闲鞋类。现正在开展大量工作将鞋类工业使用的主要材料引入材料数据库。未来的研究将聚焦于提高VSTB可以测试的鞋类的模拟精确度和可用范围。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (10/7/2010)


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