Ansys 유한 요소 해석(FEA)은 신발 밑창의 트레드와 바닥 표면 간의 기계적 상호 작용을 수학적으로 모델링하는 가상 환경을 생성하여 신발 밑창의 미끄럼 방지 성능을 시뮬레이션합니다. 70,000 Pa의 보행 압력 및 정의된 마찰 계수와 같은 특정 경계 조건을 적용함으로써 엔지니어는 밑창의 결과적인 변위를 측정할 수 있습니다. 이 디지털 접근 방식을 통해 디자이너는 값비싼 물리적 프로토타입의 즉각적인 필요 없이 안전과 접지력을 위해 트레드 패턴을 최적화할 수 있습니다.
핵심 요점: FEA는 복잡한 물리적 보행 역학을 측정 가능한 디지털 모델로 변환하여 엔지니어가 특정 트레드 형상이 압력 및 마찰에 어떻게 반응하는지 분석하여 신발의 미끄럼 방지 성능을 예측할 수 있도록 합니다.
가상 테스트의 기반: 3D 모델링
정밀한 기하학적 프로토타입 제작
Ansys에서 시뮬레이션이 시작되기 전에 일반적으로 SolidWorks와 같은 CAD 소프트웨어를 사용하여 고충실도의 3D 모델을 구축해야 합니다.
전문가는 산업적으로 관련성 있는 규모를 보장하기 위해 Paris Point 사이즈 41과 같은 표준 라스트를 기반으로 신발을 모델링합니다.
트레드의 모든 세부 사항—트레드 높이, 간격, 총 밑창 두께 포함—은 FEA의 기하학적 기초 역할을 하도록 정확하게 표현됩니다.
재료 특성 정의
디지털 모델은 고무 또는 폴리우레탄과 같은 실제 재료처럼 작동해야 합니다.
이 단계에서 소프트웨어에는 탄성 및 밀도와 같은 물리적 특성이 할당되며, 이는 재료가 응력 하에서 어떻게 변형되는지를 결정합니다.
정확한 재료 정의 없이는 시뮬레이션이 트레드가 표면에 "물리거나" 미끄러지는 방식을 안정적으로 예측할 수 없습니다.
디지털 환경에서 인간 보행 재현
현실적인 경계 조건 적용
인간의 발걸음을 시뮬레이션하기 위해 Ansys는 신발 밑창 모델에 수직 압력—종종 70,000 Pa로 표준화됨—을 적용합니다.
시뮬레이션에는 걷는 동안 발뒤꿈치가 땅에 닿는 특정 순간을 모방하기 위해 자주 17도로 설정되는 착지 각도도 포함됩니다.
이러한 매개변수는 가상 테스트가 실제 세계에서 "미끄러짐 및 넘어짐" 사고로 이어지는 실제 힘을 반영하도록 합니다.
마찰 상호 작용 시뮬레이션
소프트웨어는 사용 가능한 마찰 계수(ACOF)를 기반으로 밑창과 바닥 간의 상호 작용을 계산합니다.
엔지니어는 물이나 기름과 같은 다른 바닥 유형이나 오염 물질을 나타내는 특정 변수를 입력합니다.
약 0.5미터/초의 미끄러짐 속도를 시뮬레이션함으로써 소프트웨어는 트레드 블록이 운동 에너지 하에서 어떻게 유연해지고 움직이는지 관찰할 수 있습니다.
변위를 통한 성능 분석
구조적 안정성 측정
FEA에서 미끄럼 방지 성능을 평가하기 위한 주요 출력은 변위 분석입니다.
Ansys는 보행 압력이 바닥의 마찰 저항에 대해 적용될 때 밑창 재료가 얼마나 멀리 이동하거나 "크립"하는지 추적합니다.
높은 응력 하에서의 최소 변위는 안정적이고 높은 접지력 디자인을 나타내는 반면, 과도한 움직임은 높은 미끄러짐 위험을 시사합니다.
디자인 취약점 식별
Ansys 내의 시각화 도구를 통해 엔지니어는 밑창 전체의 응력 및 변형 "히트 맵"을 볼 수 있습니다.
이러한 맵은 어떤 특정 트레드 블록이 적절한 지지력을 제공하지 못하는지 또는 물이 갇혀 접지력을 감소시킬 수 있는 위치를 강조합니다.
이 데이터를 통해 신속한 반복이 가능하며, 디자이너는 단일 트레드 홈을 조정하고 몇 분 안에 다시 테스트할 수 있습니다.
트레이드오프 이해
시뮬레이션 정확도 대 실제 변수
FEA는 기하학적 최적화에 매우 정확하지만, 복잡한 환경 오염 물질을 완벽하게 재현하는 데 어려움을 겪을 수 있습니다.
바닥의 미세한 질감이나 시간이 지남에 따른 고무의 화학적 열화와 같은 변수는 100% 확실성으로 모델링하기 어렵습니다.
또한, 디지털 모델은 "완벽한" 보행을 가정하지만, 인간의 보행 패턴은 매우 다양하고 예측할 수 없습니다.
물리적 검증의 필요성
디지털 시뮬레이션은 물리적 테스트의 완전한 대체라기보다는 필터링 도구로 간주되어야 합니다.
가장 발전된 Ansys 모델조차도 신발이 안전 임계값(일반적으로 ACOF 0.3 이상)을 충족하는지 확인하기 위해 휴대용 진자 마찰 테스터를 사용한 최종 검증이 필요한 경우가 많습니다.
물리적 교차 검증 없이 소프트웨어에만 의존하면 지저분하고 모델링되지 않은 실제 조건에서 실패하는 "과도하게 최적화된" 디자인으로 이어질 수 있습니다.
디자인 워크플로에 FEA 적용
목표에 맞는 올바른 선택
신발 개발에서 FEA의 가치를 극대화하려면 시뮬레이션 전략을 특정 목표와 일치시키십시오.
- 주요 초점이 신속한 프로토타이핑인 경우: SolidWorks와 Ansys를 사용하여 가상 환경에서 여러 트레드 형상을 테스트하여 초기 단계에서 좋지 않은 디자인을 제거하십시오.
- 주요 초점이 안전 인증인 경우: FEA를 사용하여 응력 지점을 식별하지만, ACOF가 0.3 안전 임계값을 충족하는지 확인하기 위해 물리적 진자 테스트를 우선시하십시오.
- 주요 초점이 재료 혁신인 경우: Ansys를 사용하여 다른 탄성 값을 실험하여 새로운 고무 화합물이 밑창 변위에 어떤 영향을 미치는지 확인하십시오.
FEA를 디자인 프로세스에 통합함으로써 추측을 데이터 기반의 정밀도로 대체하여 성능이 뛰어나고 본질적으로 더 안전한 신발을 만들 수 있습니다.
요약 표:
| 시뮬레이션 단계 | 주요 매개변수 / 값 | FEA에서의 목적 |
|---|---|---|
| 기하학적 모델링 | 사이즈 41 파리 포인트 (CAD) | 분석을 위한 정확한 트레드 형상 제공 |
| 하중 적용 | 70,000 Pa (수직 압력) | 보행 중 인간의 무게와 압력 모방 |
| 보행 각도 | 17도 | 중요한 발뒤꿈치 충격 순간 재현 |
| 미끄럼 지표 | 변위 및 응력 맵 | 디자인 취약점 및 안정성 식별 |
| 안전 목표 | > 0.3 ACOF | 안전 표준에 대한 디지털 결과 벤치마킹 |
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