《“殼體結構性能化”與“球鞋中底抗扭轉”》

這是一份定性分析報告，主要是通過計算機選模擬球鞋在彎折、扭轉中每一個時刻的形態，迭代計算其集中受力部位，以求解其中底支撐片所需要的形態。

寫在開始之前：

作者是對“殼體結構性能化”方向感興趣的同濟研究生，同時也是籃球愛好者。寫作本文的目的是通過自身對結構知識的一點了解，求證籃球鞋抗扭轉支撐片對鞋身剛性加強的必要性。同時希望本文可對更多籃球愛好者挑選更“良心”的運動裝備，保護運動健康，避免關節韌帶“積勞成疾”帶來一點幫助。

籃球運動中，人們經常跑動、跳躍、側移或者蹬地。當推動一個人加速向前的力量集中在足底時，其受力之大可想而知，而在此過程中球鞋也會隨之發生扭轉或彎折。因此增加球鞋剛性以限制運動員腳底變形，從而防止足底筋膜（圖1）“過度拉伸以致積勞成疾”，就尤其重要。

“球鞋抗扭轉”表現也成了評價一雙籃球鞋好壞的重要因素之一。

對此，各運動品牌都有相應抗扭轉的科技。

例如:Nike早期在球鞋上使用的大面積碳纖維板（圖2左上），Adidas 使用的Torsion System（圖2左下）等。甚至在AJ18上我們看到了鞋底碳板+鞋墊碳板的“雙碳”配置（圖2右），相信也是為喬丹最后一個賽季做最可靠的保護。

▲?圖2：2K4元年鞋底碳板（左上）、Adidas Torsion System 抗扭（左下）、AJ18鞋底碳板與鞋墊碳板（右）

其中KD11在許多測評中都被提到鞋身剛性不足的問題，拆解中也發現其足中部鏤空（圖3）。而歐文5的國內市售版拆解中也發現中底抗扭轉片缺失（圖4），但是在歐文自己穿著的球員版上，卻有著面積、厚度驚人的碳板（圖5）。

▲圖4：市售版歐文5較前兩代產品，取消中底抗扭片，以至足中部為受力最不利點，彎折中發生形變較大。

▲圖5：歐文親自穿著的從而保護歐文健康。

就此，筆者運用他在建筑學“結構性能化”領域中的“數字建模、動力學模擬、有限元拓撲結構分析”的三大技術，對均質鞋底彎折、扭轉過程中的各狀態進行研究，并做出如下“定性分析報告”。

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此次研究范圍在鞋身整體剛度分布均勻，鞋底材料分布均勻的前提下展開。適用于Adidas旗下的crazy explosive, 羅斯5~8代系列，哈登系列等全掌大面積使用boost緩震材料的球鞋；同樣適用于Nike旗下 KD11， 歐文5等鞋底形狀規則，材料使用相對均勻的鞋款（圖6 中）。

但不適用于AJ29、AJ30等足中部鞋底連接處剛度不均勻，或有明顯中底結構自加強設計的鞋底（圖6 左）。同樣不適用于威少1代等外底后部大面積上翻導致鞋身剛度分布明顯不均勻的鞋款。此類鞋款不在本次研究建模范圍中（圖6 右）。

研究流程分為三步：建模——彎折/扭轉模擬——結構拓撲優化（圖7）。在運動模擬的過程中，彎折狀態下筆者取了全過程的4個狀態，扭轉過程中筆者分別進行了正向、反向兩種扭轉，各取3個狀態，共10個狀態。筆者分別對這10個狀態做了50次有限元結構迭代優化求解，并做了相應記錄。

其中Grasshopper插件主要面向參數化建模，是編程可視化插件。此次用來做彎折/扭轉動力學模擬的是Kangaroo插件，可模擬網格在多數力學性能下的形變。此次用來做有限元結構拓撲迭代優化的插件是Millipede，可求解結構體在荷載下受力集中的部位，同時求解其拉壓主應力線（圖8）。

在圖10中，筆者明確寫出了彎折過程的邏輯圖與所給參數，對實驗條件，邊界限定都有詳細描述。

（另有公路自行車的愛好者表示：在蹬腳踏的過程中，會感到中底向上頂起，足弓有明顯感受。這也側面印證了筆者的分析。）

圖中逐漸變白的區域就是應力集中的位置，也是鞋底結構尤其需要加強的位置。

▲?圖12：鞋底應力幾種部位求解

這可能與腳趾形狀分布有關，大幅彎折時更多腳趾會受力，小幅彎折時，往往只有最長的腳趾（大腳趾）受力。

例如Kobe1，就針對大腳趾受力區域進行加強；AJ11則最大范圍地布置加強，與模擬實驗中第三次迭代情況類似；Adidas Rose系列、crazy explosive系列、Harden系列等用了“8”字形支撐片；國產的李寧“馭帥12”則使用了“Y”字形支撐片（圖14）。

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我們在AJ11的碳板中發現，其對后跟部位進行了“全包圍”，通過限制腳部形變，同時給與支撐的方式，極大保護了運動員的安全，減小腳踝和足底筋膜的負擔（圖18上）。

根據本次對鞋底扭轉模擬與各狀態下鞋底應力分布求解，我們得出的結論是：

• 抗扭轉片是非常必要的，是籃球鞋中必不可少的一部分，除非有別的辦法加強鞋身中部的剛性。
• 碳纖維片的性能比TPU片更好。

附錄：

讓我們再仔細看下AJ11的支撐片，鞋底在彎折中，主要受拉力作用，而碳纖維是抗拉性能極好的材料，而且材料性能相對穩定（圖19）。

而反觀TPU，在受力使用一段時間后會出現材料性能“衰減”的情況。

筆者的一個建筑對比模型實驗可以間接說明此情況。兩個體量相同的模型，左側用的是碳纖維加固配合樹脂；右側是純PLA。放置8個月后，PLA模型受壓時間過長后出現材料疲勞，根部發生折斷，而碳纖維樹脂混合材料依舊牢固（圖20）。

▲圖20：碳纖維模型與PLA模型（右下）對比實驗

而碳纖維作為建筑材料之一，也被斯圖加特大學ICD實驗室廣泛應于建筑層面，其耐候性與材料穩定性可見一斑（圖21）。

▲ ICD用碳纖維與樹脂做的臨時樹脂

▲圖22：鋼筋混凝土（上） 與 樹脂碳纖維復合材料（下）的相似性

本文球鞋拆解圖都來自于“快傳體育”官網，在此引用，特此說明。

本文大量測評照片來自于“極客鞋談”頻道，在此引用，特此說明。

本文大量球鞋照片來自于虎撲論壇裝備區，在此引用，特此說明。

作者簡介：

張嘯

熱愛籃球，熱愛球鞋。

本科就讀于哈爾濱工業大學，建筑學專業。獲國家獎學金，優秀畢業生稱號，畢設獲2018年密斯獎（YTAA）提名；入選CUBA陽光組。研究生就讀于同濟大學，建筑學專業，主攻結構性能化領域，發表相關國際論文一篇；代表同濟大學參加2018年全國大學生游泳錦標賽陽光組，第16屆上海市運會游泳比賽陽光組。

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