《“殼體結(jié)構(gòu)性能化”與“球鞋中底抗扭轉(zhuǎn)”》

這是一份定性分析報(bào)告，主要是通過計(jì)算機(jī)選模擬球鞋在彎折、扭轉(zhuǎn)中每一個(gè)時(shí)刻的形態(tài)，迭代計(jì)算其集中受力部位，以求解其中底支撐片所需要的形態(tài)。

寫在開始之前：

作者是對(duì)“殼體結(jié)構(gòu)性能化”方向感興趣的同濟(jì)研究生，同時(shí)也是籃球愛好者。寫作本文的目的是通過自身對(duì)結(jié)構(gòu)知識(shí)的一點(diǎn)了解，求證籃球鞋抗扭轉(zhuǎn)支撐片對(duì)鞋身剛性加強(qiáng)的必要性。同時(shí)希望本文可對(duì)更多籃球愛好者挑選更“良心”的運(yùn)動(dòng)裝備，保護(hù)運(yùn)動(dòng)健康，避免關(guān)節(jié)韌帶“積勞成疾”帶來一點(diǎn)幫助。

籃球運(yùn)動(dòng)中，人們經(jīng)常跑動(dòng)、跳躍、側(cè)移或者蹬地。當(dāng)推動(dòng)一個(gè)人加速向前的力量集中在足底時(shí)，其受力之大可想而知，而在此過程中球鞋也會(huì)隨之發(fā)生扭轉(zhuǎn)或彎折。因此增加球鞋剛性以限制運(yùn)動(dòng)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(zhuǎn)”表現(xiàn)也成了評(píng)價(jià)一雙籃球鞋好壞的重要因素之一。

對(duì)此，各運(yùn)動(dòng)品牌都有相應(yīng)抗扭轉(zhuǎn)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(gè)賽季做最可靠的保護(hù)。

▲?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(cè)評(píng)中都被提到鞋身剛性不足的問題，拆解中也發(fā)現(xiàn)其足中部鏤空（圖3）。而歐文5的國內(nèi)市售版拆解中也發(fā)現(xiàn)中底抗扭轉(zhuǎn)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(chǎn)品，取消中底抗扭片，以至足中部為受力最不利點(diǎn)，彎折中發(fā)生形變較大。

▲圖5：歐文親自穿著的從而保護(hù)歐文健康。

就此，筆者運(yùn)用他在建筑學(xué)“結(jié)構(gòu)性能化”領(lǐng)域中的“數(shù)字建模、動(dòng)力學(xué)模擬、有限元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析”的三大技術(shù)，對(duì)均質(zhì)鞋底彎折、扭轉(zhuǎn)過程中的各狀態(tài)進(jìn)行研究，并做出如下“定性分析報(bào)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(guī)則，材料使用相對(duì)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(jié)構(gòu)自加強(qiáng)設(shè)計(jì)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(dǎo)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(zhuǎn)模擬——結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化（圖7）。在運(yùn)動(dòng)模擬的過程中，彎折狀態(tài)下筆者取了全過程的4個(gè)狀態(tài)，扭轉(zhuǎn)過程中筆者分別進(jìn)行了正向、反向兩種扭轉(zhuǎn)，各取3個(gè)狀態(tài)，共10個(gè)狀態(tài)。筆者分別對(duì)這10個(gè)狀態(tài)做了50次有限元結(jié)構(gòu)迭代優(yōu)化求解，并做了相應(yīng)記錄。

其中Grasshopper插件主要面向參數(shù)化建模，是編程可視化插件。此次用來做彎折/扭轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)模擬的是Kangaroo插件，可模擬網(wǎng)格在多數(shù)力學(xué)性能下的形變。此次用來做有限元結(jié)構(gòu)拓?fù)涞鷥?yōu)化的插件是Millipede，可求解結(jié)構(gòu)體在荷載下受力集中的部位，同時(shí)求解其拉壓主應(yīng)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(shù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)條件，邊界限定都有詳細(xì)描述。

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

圖中逐漸變白的區(qū)域就是應(yīng)力集中的位置，也是鞋底結(jié)構(gòu)尤其需要加強(qiáng)的位置。

▲?圖12：鞋底應(yīng)力幾種部位求解

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

例如Kobe1，就針對(duì)大腳趾受力區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)；AJ11則最大范圍地布置加強(qiáng)，與模擬實(shí)驗(yàn)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(chǎn)的李寧“馭帥12”則使用了“Y”字形支撐片（圖14）。

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我們?cè)贏J11的碳板中發(fā)現(xiàn)，其對(duì)后跟部位進(jìn)行了“全包圍”，通過限制腳部形變，同時(shí)給與支撐的方式，極大保護(hù)了運(yùn)動(dòng)員的安全，減小腳踝和足底筋膜的負(fù)擔(dān)（圖18上）。

根據(jù)本次對(duì)鞋底扭轉(zhuǎn)模擬與各狀態(tài)下鞋底應(yīng)力分布求解，我們得出的結(jié)論是：

• 抗扭轉(zhuǎn)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(qiáng)鞋身中部的剛性。
• 碳纖維片的性能比TPU片更好。

附錄：

讓我們?cè)僮屑?xì)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(duì)穩(wěn)定（圖19）。

而反觀TPU，在受力使用一段時(shí)間后會(huì)出現(xiàn)材料性能“衰減”的情況。

筆者的一個(gè)建筑對(duì)比模型實(shí)驗(yàn)可以間接說明此情況。兩個(gè)體量相同的模型，左側(cè)用的是碳纖維加固配合樹脂；右側(cè)是純PLA。放置8個(gè)月后，PLA模型受壓時(shí)間過長后出現(xiàn)材料疲勞，根部發(fā)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(duì)比實(shí)驗(yàn)

而碳纖維作為建筑材料之一，也被斯圖加特大學(xué)ICD實(shí)驗(yàn)室廣泛應(yīng)于建筑層面，其耐候性與材料穩(wěn)定性可見一斑（圖21）。

▲ ICD用碳纖維與樹脂做的臨時(shí)樹脂

▲圖22：鋼筋混凝土（上） 與 樹脂碳纖維復(fù)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(wǎng)，在此引用，特此說明。

本文大量測(cè)評(píng)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(qū)，在此引用，特此說明。

作者簡(jiǎn)介：

張嘯

熱愛籃球，熱愛球鞋。

本科就讀于哈爾濱工業(yè)大學(xué)，建筑學(xué)專業(yè)。獲國家獎(jiǎng)學(xué)金，優(yōu)秀畢業(yè)生稱號(hào)，畢設(shè)獲2018年密斯獎(jiǎng)（YTAA）提名；入選CUBA陽光組。研究生就讀于同濟(jì)大學(xué)，建筑學(xué)專業(yè)，主攻結(jié)構(gòu)性能化領(lǐng)域，發(fā)表相關(guān)國際論文一篇；代表同濟(jì)大學(xué)參加2018年全國大學(xué)生游泳錦標(biāo)賽陽光組，第16屆上海市運(yùn)會(huì)游泳比賽陽光組。

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