Способ определения коэффициента жесткости каблучной части обуви в функции времени переднего толчка
Владельцы патента RU 2394221:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Российский заочный институт текстильной и легкой промышленности (RU)
Изобретение относится к обувной подотрасли легкой промышленности. Техническим результатом заявляемого способа является повышение точности определения коэффициента жесткости каблучной части обуви. Способ определения коэффициента жесткости каблука включает определение нагрузок, действующих на каблучную часть низа обуви в фазе переднего толчка на компьютеризированной установке EMED; определение угла наклона плоскости каблука к опоре в функции времени методом скоростной киносъемки кинокамерой; определение деформационных параметров каблучной части низа обуви в зависимости от прикладываемой нагрузки при различных углах наклона каблука к опоре на специально изготовленном стенде; определение нагрузки, действующей на каблучную часть в зависимости от угла наклона каблука к опоре графоаналитическим методом; определение характеристики коэффициента жесткости каблучной части низа обуви от времени, ее аналитическое выражение в виде полинома для использования в дифференциальном уравнении второго порядка с переменными коэффициентами движения тела человека, которое было решено с использованием программы Math CAD. 8 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к обувной подотрасли легкой промышленности, в частности к экспериментально-аналитическим методам определения коэффициента жесткости каблука, что необходимо для последующего расчета динамики системы человек-обувь-опора, преследующего цель создания обуви, обеспечивающей оптимальный уровень нагружения опорно-двигательного аппарата человека при хождении в обуви по жесткой опорной поверхности.
Уровень техники
Известен способ определения коэффициента жесткости каблучной части обуви как отношение нагрузки, действующей на каблучную часть при угле наклона опорной поверхности к каблуку, равном нулю градусов, к деформации, вызванной этой нагрузкой (журнал «Кожевенно-обувная промышленность №6, 2003 г.), копия статьи прилагается.
Известный вышеописанный способ не позволяет определить усилия, приходящиеся на каблук при различных углах наклона его к опорной поверхности и соответствующие им величины деформаций. В этом способе измерение осуществляется только при угле наклона каблука к опорной поверхности, равном нулю градусов, что дает явно завышенный результат, который не отражает физический процесс постепенного нагружения каблука, и распределения силовых потоков в объемной части каблука при различных значениях угла наклона.
В дифференциальном уравнении движения тела человека при переднем толчке коэффициент жесткости каблука должен быть функцией времени, в прототипе коэффициент жесткости постоянный и тем самым не позволяет произвести точный расчет движения тела человека и нагрузок, воздействующих на него.
Технический результат
Использование предлагаемого изобретения - способа определения коэффициента жесткости каблучной части обуви в функции времени переднего толчка позволяет произвести уточненный расчет триады человек-каблук-опора, в частности оптимального усилия, действующего на пяточную часть стопы и соответственно на все тело человека, что дает возможность изготавливать здоровьесберегающую обувь повышенного качества за счет снижения негативного влияния жесткой опоры на стопу и организм в целом. Правильный подбор коэффициента жесткости каблука приводит к снижению действия реакции жесткой опоры на организм человека до оптимального уровня.
Раскрытие изобретения
Изобретение касается способа определения коэффициента жесткости каблука в функции времени, в дальнейшем используемого в расчете динамики системы человек-каблук-опора. Существенным отличием предлагаемого способа является то, что для определения изменяющегося по времени коэффициента жесткости каблука последовательно находится:
1) усилие, действующее на каблук при переднем толчке в функции времени;
2) угол наклона каблука также в функции времени;
3) деформация каблука при различных углах его наклона к опорной поверхности и действующих усилий нагружения;
и на последнем этапе осуществляется синтез этих составляющих, позволяющих определить коэффициент жесткости каблука в функции времени фазы переднего толчка.
Для составления в математической модели (дифференциальном уравнении движения системы человек-каблук-опора) необходимо, чтобы системообразующий член уравнения, показывающий жесткость каблука, включал одновременно два взаимосвязанных параметра - угол наклона каблука к опорной поверхности и соответствующие моменты времени. Этого в прототипе нет. Фактор жесткости входит в дифференциальное уравнение в виде постоянного коэффициента, не зависящего ни от угла наклона, ни от времени.
В результате - коэффициент жесткости принимается как жесткость каблука при угле наклона ноль градусов, что дает многократно завышенное значение коэффициента жесткости и, в конечном счете, делает результат расчета не соответствующим действительности.
Способ определения жесткости каблучной части обуви в функции времени переднего толчка включает в себя 5 этапов:
1. Определение нагрузок, действующих на каблучную часть низа обуви в фазе переднего толчка на компьютеризированной установке EMED, то есть зависимость нагрузки от времени - F(t).
2. Определение угла наклона плоскости каблука к опоре в функции времени методом скоростной киносъемки кинокамерой - α(t).
3. Определение деформационных параметров каблучной части низа обуви в зависимости от прикладываемой нагрузки при различных углах наклона каблука к опоре на специально изготовленном стенде - Δℓ(F, α).
4. Определение нагрузки, действующей на каблучную часть в зависимости от угла наклона каблука к опоре графоаналитическим методом - F(α).
5. Определение характеристики коэффициента жесткости каблучной части низа обуви от времени C(t) и ее аналитическое выражение в виде полинома для использования в дифференциальном уравнении второго порядка с переменными коэффициентами движения тела человека, которое было решено с использованием программы Math CAD.
Перечень фигур чертежа
На фиг.1 графическое изображение исследования контакта обутой стопы с опорой, проведенного на системе «EMED».
На фиг.2 график зависимости нагрузки на стопу при ходьбе от времени контакта.
На фиг.3 фотографии, соответствующие фазе переднего толчка, начиная с момента касания каблучной части обуви поверхности опоры и заканчивая моментом полного контакта нижней плоскости каблука с опорой.
На фиг.4 построение графика зависимости нагрузки на пяточную часть от угла наклона ходовой поверхности каблука к опоре при переднем толчке.
На фиг.5 схема стенда для определения деформации каблука при различных углах наклона его к опорной поверхности и нагрузках, действующих на каблук.
На фиг.6 график зависимости действующей нагрузки на каблук при различных углах наклона ходовой поверхности каблука к опоре от деформации каблучной части обуви при переднем толчке по характеристикам F(α) и F(Δℓ).
На фиг.7 график зависимости коэффициента жесткости от времени C(t) для каблучной части обуви.
На фиг.8 график полиноминальной регрессии
Сущность изобретения
Предлагаемый способ заключается в следующем:
1. Определение нагрузок, действующих на каблучную часть низа обуви в фазе переднего толчка на компьютеризированной установке EMED, состоящей из испытательной дорожки, измерительной платформы, внутри которой установлены 3800 первичных измерительных преобразователей, блока предварительной обработки поступающих с датчиков сигналов, подографического анализатора, системного блока, монитора, клавиатуры и принтера.
Испытуемый двигается по дорожке со средней скоростью v=5 км/ч, наступая на измерительную платформу. При контакте каблучной части низа обуви с платформой, сигнал от датчиков поступал на блок предварительной обработки сигналов, затем информация передавалась на подографический анализатор и системный блок. Запись показаний параметров начиналась с момента первичного контакта каблука обуви с измерительной платформой и заканчивалась в момент полного снятия нагрузки. С помощью программы обработки сигналов на экран монитора выводится графическое изображение проведенного исследования (фиг.1), представляющее собой картину области контакта обутой стопы с опорной площадкой в каждый конкретный момент времени, в виде распределения цветных ячеек 5×5 мм, цвет которых соответствует определенному диапазону нагрузок, траекторию движения мгновенного приложения сил (фиг.1а) графики зависимости максимального давления р обутой стопы на опору во времени контакта (фиг.1б), нагрузки F, действующей на низ обуви при ходьбе во время контакта (фиг.1в), и изменение площади контакта А низа обуви с измерительной платформой во времени (фиг.1г).
На фиг.2 изображено как, начиная с момента контакта каблука и опоры, происходит постепенный перенос нагрузки от тела человека на опорную поверхность.
На графике видно, что при переднем толчке, в первый период, происходит интенсивное нарастание усилия, передаваемого на каблучную часть обуви, в условиях практически полного отсутствия амортизации, при спрямленных костях голени и бедра (участок OA). Затем в работу включается мышечно-связочный аппарат, происходит естественная амортизация реакции опоры, и, как следствие, уменьшается угол наклона отрезка АБ, характеризующего этот этап взаимодействия стопы с опорой. Точка, разделяющая площади пяточной и геленочной с носочно-пучковой частями стопы, контактирующие с измерительной платформой, на графике нагрузки обозначена О2. Восстановив перпендикуляр до кривой опорной нагрузки F, получаем точку бифукации А, с которой начинается отделение от кривой общей нагрузки, характеристики усилия, приходящегося только на пяточную часть.
Полученная кривая ОАС нагрузки, воспринимаемой каблучной частью обуви во времени, характеризует фазу переднего толчка, представляет интерес своими фактическими данными и будет использована, как исходный материал для определения жесткостных параметров системы.
2. Определение угла наклона плоскости каблука к опоре в функции времени методом скоростной киносъемки кинокамерой «Пентафлекс АК 16».
Испытуемый в обуви проходил по подиуму, экспонируя ее в картинной плоскости объектива. Отснятая кинопленка была проявлена, с кинонегатива была получена видеокопия, которая была преобразована в цифровой формат АВИ, поддерживаемый современными компьютерами. В результате было получено изображение отснятого материала в виде покадровой развертки (фиг.3). Распечатаны 14 фотографий, на каждом снимке произведены замеры угла наклона ходовой поверхности каблука к поверхности опоры. По полученном данным построен график (фиг.4, квадрант III) зависимости угла наклона нижней поверхности каблука α к опорной плоскости от времени контакта t, который отображается нелинейной характеристикой в силу специфики поворотного движения стопы.
Для проведения дальнейших исследований фазы переднего толчка необходимо определить характер зависимости нагрузки F, действующей, на каблучную часть низа обуви, от угла наклона α нижней поверхности каблука к опоре. На фиг.4, квадрант II, показан график зависимости нагрузки F от времени контакта t, адекватный кривой ОАС (фиг.2), полученной в результате эксперимента, проведенного на системе EMED. В квадранте III, в системе координат, совмещенной с квадрантом II по оси абсцисс, изображен график зависимости величины угла наклона нижней плоскости каблука α к опоре от времени контакта t при переднем толчке. Далее методом проецирования соответствующих точек получен график зависимости нагрузки F(α), действующей на каблучную часть обуви от угла наклона нижней поверхности каблука к опоре α при переднем толчке, расположенный в I квадранте, совмещенным с квадрантом II по оси ординат.
3. Определение деформационных параметров каблучной части низа обуви в зависимости от прикладываемой нагрузки при различных углах наклона каблука к опоре на специально изготовленном стенде (фиг.5).
Образец представляющий собой обувь, одетую на колодку, устанавливается каблуком на нагрузочную площадку 1 и закрепляется с помощью верхнего 2 и нижнего 3 упоров таким образом, чтобы между плоскостью каблука и нагрузочной площадкой 1 устанавливался определенный угол. Постепенное нагружение конца мунтиплицирующего рычага 4 с помощью набора грузов 5 приводит к его перемещению и, посредством давления нагрузочной площадки 1 на каблучную часть, происходит деформация каблука, которая фиксируется индикатором перемещения 6. Расчет жесткости каблука для определенного угла наклона производится по известной формуле: Сαi=Fi/Δℓi.
4. Определение нагрузки, действующей на каблучную часть в зависимости от угла наклона каблука к опоре, графоаналитическим методом.
По полученным данным, на фиг.6 в квадранте II, показан график зависимости угла наклона нижней поверхности каблука к опоре α от нагрузки F, полученный в результате построения на фиг.4. В квадранте I построены кривые зависимости величины деформации каблука Δℓ от нагрузки F, действующей на каблук при различных углах наклона нижней поверхности каблука к опоре α от 30° до 0°, полученные в результате испытаний на стенде. Используя совмещенные графики, методом проецирования точек, соответствующих реальной нагрузке, действующей на каблук при различных углах наклона нижней плоскости каблука к опорной поверхности, получена кривая ОД - зависимость деформации каблука от нагрузки F(Δℓ).
Разбив кривую ОД на 6 участков, методом графического дифференцирования получаем отдельные значения коэффициента жесткости, так как С=tgβ, где β - угол наклона касательной.
5. Определение характеристики коэффициента жесткости каблучной части низа обуви от времени и ее аналитическое выражение в виде полинома.
По ранее определенной зависимости F(t), используя полученные значения коэффициента жесткости, рассчитанные при реальных нагрузках, строим график зависимости коэффициента жесткости от времени C(t) для каблучной части обуви (фиг.7). Характер полученной кривой показывает, что жесткость каблучной части низа обуви является переменной величиной, нелинейно зависящей от времени контакта каблука с поверхностью опоры.
С помощью MathCAD зависимость коэффициента жесткости от времени представлена в виде полинома и построен график полиноминальной регрессии (фиг.8).
Способ определения коэффициента жесткости каблука, включающий в себя нахождение деформации каблука при нагружении, когда каблук опирается на опорную плоскость всей своей горизонтальной поверхностью, а передача усилия происходит за счет сближения сжимающей его пластины, нагруженной сменными грузами, при этом деформация каблука регистрируется индикаторами часового типа, отличающийся тем, что предлагаемый способ содержит ряд последовательных этапов, позволяющих определить коэффициент жесткости каблука в функции времени переднего толчка, состоящих из:
определения нагрузок, действующих на каблучную часть низа обуви в фазе переднего толчка на компьютеризированной установке EMED;
определения угла наклона плоскости каблука к опоре в функции времени методом скоростной киносъемки кинокамерой;
определения деформационных параметров каблучной части низа обуви в зависимости от прикладываемой нагрузки при различных углах наклона каблука к опоре на специально изготовленном стенде;
определения нагрузки, действующей на каблучную часть, в зависимости от угла наклона каблука к опоре графоаналитическим методом;
определения характеристики коэффициента жесткости каблучной части низа обуви от времени и ее аналитического выражения в виде полинома для использования в дифференциальном уравнении второго порядка с переменными коэффициентами движения тела человека, которое было решено с использованием программы Math CAD.
